Teknikbevakning av bränsleceller för fordon Elforsk rapport 10:15

Transkript

1 Teknikbevakning av bränsleceller för fordon 2009 Elforsk rapport 10:15 Hans Pohl Februari 2010

2 Teknikbevakning av bränsleceller för fordon 2009 Elforsk rapport 10:15 Hans Pohl Februari 2010

3 Förord Denna rapport är framtagen inom projektet Teknikbevakning av bränslecellsområdet under 2009 (Elforsk projektnummer 20009). Rapportens huvudsakliga slutsatser presenteras i en slutrapport för hela teknikbevakningsprojektet (Elforsk rapport 10:01). Projektet har till största delen finansierats av Energimyndigheten. E.ON Sverige, Volvo, Vätgas Sverige och FMV har bidragit med egeninsatser. Stockholm februari 2010 Bertil Wahlund Programområde El- och värmeproduktion

4 Sammanfattning Huvudtillämpningen för bränsleceller i fordon är produktion av el för framdrivning. En annan viktig tillämpning är elproduktion för fordonets kringsystem, sk APU (auxiliary power unit). Dominerande teknikspår är hybridfordon som tankar trycksatt vätgas och använder polymerelektrolytbränsleceller samt batterier för att försörja elmotorn. Fastoxidbränsleceller finns också med på fordonsområdet, i första hand för APU-tillämpningar men som outsider även som räckviddsförlängare i batterifordon. Under 2009 har några nya generationer av fordon, exempelvis bussar och bilar från tyska Daimler, och bränslecellssystem presenterats. Tekniken verkar utvecklas enligt de ambitiösa planerna, vilket inte minst det produktionsklara bränslecellssystem som General Motors visade under året illustrerade. Samtidigt har offensiva planer för marknadsintroduktion av bilar med stora batterier med eller utan förbränningsmotor annonserats från både politiskt och industriellt håll. Synergierna mellan teknikspåren är omfattande, exempelvis delas merparten av komponenterna, men trots det framstår åtminstone i media ibland batteribilens renässans som dödsstöten för bränslecellsfordon. Enligt de tillverkare som utvecklar bränslecellsfordon, exempelvis Toyota, Honda, Nissan, General Motors, Daimler, VW och Hyundai-Kia, finns det behov av bränslecellsbilar för tillämpningar där batteribilar eller laddhybrider inte är praktiska eller miljömässigt hållbara. De menar att batteridrift är bra för små bilar i stadstrafik medan bränslecellsdrift passar i större fordon som ska köra längre sträckor. Vätgasinfrastrukturen är en kritisk faktor och trots att koalitioner i Japan och Tyskland har bildats för att söka tillgodose behovet av vätgas för de många tusen bränslecellsbilar som planeras till 2015 framstår det som en fråga att särskilt bevaka under de närmaste åren.

5 Summary The main application for fuel cells in vehicles is production of electricity for propulsion. Another important application is electricity production for the auxiliary systems in the vehicle (APU, auxiliary power unit). Hybrid electric vehicles fuelled by pressurised hydrogen using polymer electrolyte fuel cells and batteries for the electric machine(s) constitute the dominating technology path. Solid oxide fuel cells also exist in the automotive context, mainly for APU applications but also as an outsider technology as range extender for battery electric vehicles. In 2009, some new generations of vehicles, for example buses and cars from the German Daimler, and fuel cell systems were presented. The technology appears to develop according to the challenging plans, which the production ready fuel cell system shown by General Motors illustrated. Meanwhile, ambitious plans for market introduction of vehicles with large batteries have been announced from the political and industrial side. The synergies between both technology pathways are large, but anyway the battery electric vehicle hype is sometimes, at least in media, framed as the killer of fuel cell vehicles. According to the automakers developing fuel cell vehicles, e.g. Toyota, Honda, Nissan, General Motors, Daimler, VW and Hyundai-Kia, there is a need for fuel cell vehicles for applications where battery and plug-in electric vehicles are unsuitable. They argue that battery propulsion is good for small vehicles for city use, whereas fuel cell propulsion better suit larger vehicles designed for longer range driving. The hydrogen infrastructure is a critical factor and in spite of the formation of coalitions in Japan and Germany to satisfy the demand for hydrogen for the several thousands of fuel cell vehicles planned for until 2015, it appears to be an issue worth special attention during the coming next years.

6 Innehåll 1 Bakgrund till projektet Uppdraget Genomförande Avgränsningar Beskrivning av tillämpningsområdet Bränsleceller i fordon varför? Dominerande teknikspår Viktiga aktörer Teknikbevakning Teknik och ekonomi fyra mirakel behövs? Fordon Daimler Volkswagen Hyundai-Kia General Motors Toyota Honda Drivmedelsförsörjning Bränsle fortsatt bara ren vätgas? Infrastruktur för vätgas Aktiviteter inom IEA Advanced Fuel Cells Annex XX/ EU-initiativ Nationella initiativ Sverige Tyskland Japan special FC Expo JHFC Honda Nissan Toyota Framtida utveckling Bränslecellsbilar en parentes i utvecklingen? Batteribilsentusiasmen ett problem för bränslecellsbilar? Miljökonsekvenser av eldrift Jämförelse med rapporteringen

7 1 Bakgrund till projektet 1.1 Uppdraget Rapporten är beställd av Elforsk och ska behandla översiktlig omvärldsbevakning av utvecklingsstatus för området traktionära tillämpningar av bränslecelltekniken. I beställningen ingår även stöd till medverkan i IEA Advanced Fuel Cells Annex XX. 1.2 Genomförande Hans Pohl har författat rapporten med intervjuer av nyckelpersoner, studiebesök samt studier av tidskrifter, rapporter och hemsidor som huvudsakliga informationskällor. Medverkan i IEA Advanced Fuel Cells Annex XX har skötts av Volvo Technology genom Azra Selimovic och Michael Holber. För rapporten i sin helhet svarar författaren. 1.3 Avgränsningar Rapporten avser utvecklingen under En jämförelse med föregående rapport som speglade utvecklingen 2008 och nuläget vid slutet av samma år görs emellertid, se avsnitt 4.4. Rapporten fokuserar på traktionära bränsleceller för vägfordon. Då bränsleceller även utvecklas för elproduktion till hjälpsystem i (stora) fordon och farkoster, s.k. APU, berörs även detta. 1

8 2 Beskrivning av tillämpningsområdet 2.1 Bränsleceller i fordon varför? Bland drivkrafterna för utveckling och användning av bränsleceller i fordon återfinns exempelvis: Klimatet bränslecellsfordon kan bidra till minskade utsläpp av klimatpåverkande gaser både genom hög verkningsgrad i fordonet och möjlighet att använda icke-fossila primärenergier. Lokala miljön bränslecellsfordon är vanligen lokalt helt fria från skadliga emissioner och dessutom betydligt tystare än förbränningsmotorfordon. Minskat oljeberoende vätgas som vanligen tankas i fordonen kan framställas på en lång rad olika sätt och därmed kan transporternas oljeberoende reduceras. För den enskilde fordonstillverkaren erbjuder bränslecellstekniken en viktig möjlighet att ta hänsyn till ovanstående drivkrafter utan att tumma på kundernas krav med avseende på fordonets prestanda, komfort och mångsidighet. 2.2 Dominerande teknikspår Bränslecellsbilar har de senaste åren varit tekniskt sett ganska stabila, åtminstone för en betraktare som inte studerar teknikvalen på molekylär nivå. Det är hybridbilar som tankar vätgas och använder den tillsammans med syre från luften för att producera el för framdrivning i ett bränslecellssystem med polymerelektrolyt (PEFC). Denna teknik har dock förfinats kraftfullt så att dagens bil är mycket energieffektivare, billigare och mångsidigare än det fordon som presenterades för några år sedan. Fortfarande är det dock inget billigt fordon. Olika grad av hybridisering finns och i takt med att förväntningarna på att laddhybrider ska bli marknadsmogna ökar, ökar även intresset för teknikspåret där bränslecellerna används för sk. range extender lösningar, dvs. för att ladda fordonets batterier när så behövs under färd. I sådana fordon skulle bränslecellssystemet ersätta en förbränningsmotor och en generator och i denna tillämpning kan fastoxidbränsleceller (SOFC) vara intressanta, i synnerhet som den tekniken erbjuder en högre grad av bränsleflexibilitet i fordonet. I tyngre fordon pågår utveckling av bränsleceller för elproduktion till kringsystem i fordonen, exempelvis då de står parkerade. En sådan APU ersätter då den ordinarie dieselmotorn och generatorn för elproduktion. På detta område pågår utveckling av både PEFC och SOFC. PowerCell i Göteborg arbetar med utveckling av PEFC tillsammans med en reformer som gör vätgas av diesel (eller andra kolväterika drivmedel). 2

9 2.3 Viktiga aktörer Medan det inom batteribilsområdet har dykt upp en rad med mer eller mindre seriösa och framgångsrika entreprenörer som tagit fram nischprodukter har bränslecellsbilsområdet dominerats av de stora biltillverkarna. Dessa gör också merparten av utvecklingen av själva bränslecellerna in-house, vilket också skiljer från batteribilsområdet där merparten av batteriutvecklingen görs hos leverantörer (med undantag för några japanska biltillverkare). Vätgasleverantörer finns idag, exempelvis Linde, men även andra aktörer är involverade. Främst är det kraftbolag och energibolag som engagerat sig i vätgasfrågan, exempelvis Vattenfall och Shell. Mot bakgrund av krisläget i bilindustrin har den offentliga sidan haft en viktig roll och möjlighet att i det uppkomna läget forma insatser och krav så att en inriktning mot mer hållbara vägtransporter gynnas. Så har också skett i viss mån även om en stor del av medlen har gynnat bilförsäljning utan särskilt strikta krav på miljöegenskaperna. Offentligt stöd är viktigt för fortsatt utveckling och introduktion av bränslecellsfordon i hela kedjan från grundläggande forskning till utformning av vettiga regelverk. 3

10 3 Teknikbevakning Teknik och ekonomi fyra mirakel behövs? The hydrogen car may have legions of fervent fans, but Energy Secretary Steven Chu apparently is not among them. Earlier this year, the Nobel Prizewinning scientist essentially zeroed government funding for the clean vehicles and came close to mocking their potential, saying the technology needs four miracles before it can become widely adopted. 1 De fyra mirakel som energiminister Steven Chu i början av 2009 ansåg behövdes för att vätgasdrivna bränslecellsfordon skulle bli kommersiellt slagkraftiga handlade om: Bränslecellens hållbarhet/livslängd och kostnad Vätgasproduktion Vätgaslagring Vätgasdistribution. Budskapet gav olika aktörer anledning att tydligt deklarera var tekniken står och hur de anser att satsningarna bör inriktas. Exempelvis skrev US Council for Automotive Research (USCAR), med GM, Ford och Chrysler i huvudrollerna, följande i ett White paper i juli 2009 om budgetförslaget: In summary, USCAR and its members support DOE s goal of investigating multiple propulsion options that would deliver meaningful results in improving US energy security, reducing fossil carbon emissions, and producing a sustainable transportation system in the near term. Continued government support of development over the next few years is very important to maintain stability of critical capabilities, maintain momentum and assure constant evolution of transportation fuel-cell technologies. Furthermore, due to the stricter performance requirements of vehicle technologies vs. stationary technologies, vehicle level H2 research is relevant to both stationary and mobile applications. On the other hand, developments relevant to stationary applications alone are far less likely to be applicable to vehicles. Since it takes decades to "turn over" the light duty vehicle fleet, critical technologies must approach the point of commercialization in the next ten to fifteen years if they are to play a role in meeting our 2050 greenhouse gas reduction goals. DOE's removal of support for transportation fuel-cell programs will dramatically diminish the U.S. development of one of the truly zero-emission alternatives. Therefore, DOE should be encouraged to balance technology development priorities to include fuel cell vehicle technologies to assure that the current pace of development continues. Should hydrogen emerge as an important transportation fuel, failure to have done so may lead to the US becoming uncomfortably dependent on foreign powers for this important technology. I rapporten görs även en jämförelse med batteribilar: 1 Washington Post,

11 Use of electricity as an environmentally-friendly transportation fuel is dependent on progress in on board energy storage (batteries and ultracapacitors) and improved electrical generation and distribution infrastructure. Even with complete success in meeting the USABC long-term goals for battery energy capacity, electric vehicles cannot compete with hydrogen-fueled vehicles for general usage in terms of range and refill time. Use of hydrogen as a transportation fuel as on-board storage for useful range and refill time is already available (if not optimal), for use in both highly-efficient, dedicated internal combustion engines or Fuel Cells Vehicles (FCVs). Figur 1: Kostnadsutveckling för bränslecellssystemet I rapporten visas bland annat Figur 1, där de ifyllda romberna motsvarar uppnådda mål och romberna för 2010 och 2015 är de mål som DOE har satt upp 2. Senare har mycket läsvärda rapporter i samband med det kaliforniska nollemissionsmandatet publicerats. I en av rapporterna ges en statusrapport både för bränsleceller och batterier och kostnaden för bränslecellssystemet 2009 anges till USD 61 per kw 3. Rapporteringen visar att utvecklingen för det mirakel som bilindustrin främst har ansvar för går relativt programenligt. 4 Ett annat mirakel som berörs i rapporten är lagringen av vätgas i fordonet, d v s räckvidden per tank. Även där ser utvecklingen ut att vara i linje med uppsatta mål, jämför Figur 2. 2 Diagram ursprungligen från DOE Hydrogen Program & Vehicle Technologies Program, 2009 Merit Review 3 Se Det bör noteras att dessa kostnader vanligen baseras på antaganden om ganska stora tillverkningsvolymer 4 Det är frestande men svårt att jämföra med batteriteknikens kostnadsutveckling då den främsta kostnadsaspekten i batteridrivna fordon är batteriernas energitäthet (målkostnad om USD/kWh anges ibland) medan det för bränsleceller främst handlar om effekten (energitätheten relaterar för FCVs i första hand till vätgaslagret) 5

12 Figur 2: Utvecklingen för vätgaslager i fordon I Figur 3 ställs lagringskapaciteten per volymsenhet i relation till andra typer av energilager. Vätgas är mycket lätt men skrymmande varför lagringskapacitet per volymsenhet är relevant. För det bästa lagringsalternativet för vätgas upptaget i figuren är dock vikten på den metallstruktur som vätgasen binds i hög och dynamiken i termer av snabb påfyllning och tömning av lagret begränsad. Figur 3: Olika sätt att lagra energi Övriga mirakel anser bilindustrin till stor del vara andra aktörers huvudvärk, jämför längst ner i Figur 4. 6

13 Figur 4: Frågor för bränslecellsfordon Många andra aktörer, exempelvis National Research Council, som hade gjort en genomgång av satsningen FreedomCar and Fuel Partnership, betonade också behovet av långsiktiga satsningar på vätgas och bränsleceller för fordonsdrift. Konsekvensen av försöket till drastisk nedskärning av budgeten för vätgasfordon blev, åtminstone på kort sikt, inte så stor: But the hydrogen car is back. On Thursday, the Senate agreed to restore nearly all the money for hydrogen car research that the administration had proposed to cut. The measure, part of an appropriations bill previously approved by the House, is expected to be signed by President Obama Fordon Den 9 september 2009 tecknade biltillverkarna Daimler, Ford, General Motors/Opel, Honda, Hyundai, Kia, Nissan/Renault och Toyota ett letter of understanding och gjorde ett gemensamt uttalande om marknadsintroduktionen av vätgasdrivna bränslecellsfordon. Företagen emotser att med start 2015, eller tidigare, ska några hundra tusen bränslecellsfordon ut på vägarna. 5 I en rapport gjord av Ricardo för brittiska Department of Transport diskuteras möjligheter att reducera klimatpåverkan från tunga fordonstransporter. Resultaten kan sägas sammanfattas i den något svårtillgängliga Figur 5. När det gäller bränsleceller hävdar rapporten att sådana har god potential att minska klimatgasutsläppen på medellång sikt i tillämpningar som APU medan de på lång sikt har god potential att minska utsläppen relaterade till framdrivningen. 6 5 GreenCarCongress GreenCarCongress

14 Figur 5: Olika tekniska lösningar för att minska utsläpp av GHG från tunga fordon I mars 2009 presenterade den amerikanska Federal Transit Organisation (FTA) en rapport med resultaten från intervjuer med deltagare i 20 olika bussprojekt i hela världen med vätgasdrift under perioden Bland deras resultat märks att bränslecellsstackarna överträffade förväntningarna medan batterier och andra komponenter stod inför stora utmaningar. 7 Fordonsöversikten nedan gör inga anspråk på att vara fullständig Daimler En ny generation av bränslecellsbussar Citaro FuelCELL-Hybrid från Mercedes presenterades med planerade leveranser av minst 30 bussar till transportoperatörer i Europa under 2010, se Figur 6. Bussen bygger på erfarenheterna från föregående generationer, exempelvis bussarna i CUTE-projektet, och inte minst på teknik från den dieselelektriska seriehybriden Citaro G BlueTec Hybrid. 8 Bland annat används samma typ av elektriska navmotorer och litiumbatterier. 7 GreenCarCongress (FTA Report No. FTA-GA ) 8 Denna buss använder fyra navmotorer om vardera 80 kw samt litiumjonbatterier om 19,4 kwh (GreenCarCongress ) 8

15 Figur 6: Daimlers nya generation av bränslecellsbussar För att pressa kostnaderna delar bussen dessutom teknik med B-Class F-CELL genom att den använder två sådana bränslecellsstackar som personbilen har. Det hävdas att bussen nästan ska halvera vätgasåtgången jämfört med CUTEbussarna (som förvisso fick kritik för sin dåliga bränsleekonomi, vilket, enligt busstillverkaren, inte heller var något mål för det projektet). Räckvidd per tank uppges till cirka 250 kilometer. I slutet av 2009 ska Mercedes också starta serietillverkning av den B-klass F- CELL som ersätter nuvarande A-klass F-CELL bilar, se Figur 7. Den inledande första batchen om 200 bilar ska levereras till användare i Europa och USA, exempelvis i Hamburg, Stuttgart och städer i Kalifornien. Bilen tankar vätgas komprimerad till 700 bar, har en räckvidd per tank om cirka 400 km och förbrukningen uppges vara motsvarande 3,3 liter diesel per 100 km. Bränslecellsstacken på 80 kw har 40 procent mindre volym än den som används i A- klassen och den bidrar till energieffektiviseringen med cirka 16 procent. Livslängden uppges vara över 2000 timmar. 9,10 Figur 7: Mercedes B-klass F-CELL 9 Mercedes-Benz Press Information ; GreenCarCongress ; HyWeb Räkneexempel; antag snittfart om 50 km/h. Då håller stacken minst mil 9

16 3.2.2 Volkswagen Figur 8: VW Passat Lingyu FCEV I samarbete med det kinesiska Tongji University har Volkswagen tagit fram 16 bränslecellsbilar för användning i California Fuel Cell Partnership, jämför Figur 8. Därmed har Volkswagen fem olika typer av bränslecellsbilar i drift i Kalifornien; Passat Lingyu FCEV (ny), Audi Q5 FCEV, Touran HyMotion FCEV, Tiguan FCEV och Caddy Maxi FCEV Hyundai-Kia Mot slutet av 2008 presenterade Kia en Borrego FCEV, jämför Figur 9, och under 2009 har företaget angett att en mindre serietillverkning av denna fjärde generation av bränslecellsbil ska starta Vidare har privatpersoner i Seoul inbjudits anmäla sig för att delta i sexmånaders testkörning av dylika bilar med start Verkningsgraden för bränslecellssystemet uppges vara 62 procent och räckvidden per tank hela 685 kilometer. 11 Figur 9: Kia Borrego FCEV General Motors I september 2009 presenterade General Motors det de kallar den andra generationen av bränslecellssystem, vars huvudelement är femte generatio ( ; ); ( ) 10

17 nens bränslecellsstack. Systemet är produktionsklart och tar ungefär samma plats som en fyrcylindrig förbränningsmotor, jämför Figur 10. Jämfört med första generationens system, vilket inom projektet Driveway har använts i över hundra Chevrolet Equinox och samlat mer än en miljon miles driftserfarenheter med cirka vanliga användare, är denna andra generation hälften så stor, väger hundra kg mindre, och använder mindre än hälften så mycket platina (~80 g för generation ett att jämföra med ~30 g för generation två att jämföra med ~10 g i en vanlig katalysator för en förbränningsmotor). 12 Figur 10: Två generationer av GMs bränslecellssystem Projektledaren (chief engineer) för utvecklingen av den omtalade Volt som ska komma till marknaden i range-extender hybridversion med stort litiumjonbatteri under 2010, Nick Zielinski, kommenterade den teknikens långsiktiga utsikter så här: Ultimately, I still believe the hydrogen fuel cell will be the answer Toyota Med amerikanska ingenjörer från SRNL och NREL gjorde Toyota ett energiförbrukningsprov som resulterade i en räckvidd om cirka 431 miles och en förbrukning om 68,3 miles per kg vätgas. Biltypen som uppnådde dessa förbrukningssiffror kallas Toyota Highlander Fuel Cell Hybrid Vehicle Advanced. 14 En vanlig Toyota Highlander 2010 drar mellan (hybridversion) mpg bensin. 15 Justin Ward, manager för Toyotas Advanced Powertrain Program i USA, svarade för ett ofta upprepat citat under 2009: We have some confidence the 12 GreenCarCongress ; Detroit, Market Watch Toyota pressinformation

18 [fuel cell] vehicle released around 2015 is going to have costs that are going to be shocking for most of the people in the industry. They are going to be very surprised we were able to achieve such an impressive cost reduction Honda Honda har placerat ut ett tiotal FCX Clarity hos användare i Kalifornien. Fordonet är designat för bränslecellsdrift och är trots att det nu har gått några år sedan det presenterades år 2006 fortfarande mycket konkurrenskraftigt, åtminstone i tekniska avseenden. 3.3 Drivmedelsförsörjning Bränsle fortsatt bara ren vätgas? Fortsatt talar det mesta för att vätgas är det bränsle som ska tankas i bränslecellsfordonen. Givetvis skulle introduktionen av sådana fordon underlättas om någon annan typ av redan existerande eller i alla fall mer lätthanterligt bränsle som metanol kunde användas, åtminstone under en övergångsperiod. Utan att kunna avgöra om det bara är slumpen eller något mer systematiskt, ger nyhetsrapporteringen intrycket att bränslecellssystem som försörjs med annat än ren vätgas har flyttat fram positionerna något Infrastruktur för vätgas I mars 2009 presenterade California Fuel Cell Partnership en action plan som omfattar en strategi för hur tankstationer för vätgas respektive bränslecellsfordon ska lanseras i Kalifornen. Planen beskriver de mått och steg som krävs för att försörja bilar och 20 bussar med vätgas från och med Det handlar om 46 tankstationer till en kostnad av cirka 180 miljoner USD. Kostnaden antas till en tredjedel täckas av industrin och till två tredjedelar av offentliga aktörer. När planen presenterades fanns det 250 demonstrationsfordon i Kalifornien och 26 tankstationer. Flertalet tankstationer var dock inte allmänt tillgängliga. 17 Under 2009 har det vid upprepade tillfällen påpekats från biltillverkarnas sida att man är orolig för att utvecklingen på vätgasförsörjningssidan går för långsamt. I relation till det gjorde åtta japanska företag en överenskommelse om att gemensamt göra en satsning för att utveckla utrustning och anläggningar för att kunna leverera vätgas till fordon. Även fordonstillverkare kommer att medverka i initiativet för vätgasinfrastrukturutveckling. Målet är att kommersialisera leveranser av vätgas för bränslecellsfordon före Enligt tidningen Yomiuri Shimbun är uppstartskostnaden för gruppens gemensamma affärer flera miljarder kronor Wards Auto Hyweb Se även 18 Hyweb De åtta företagen är Nippon Oil, Showa Shell Sekiyu, Idemitsu Kosan, Cosmo Oil, Japan Energy Corp., Tokyo Gas, Osaka Gas och Toho Gas 12

19 Den 10 september 2009 gjorde en rad huvudsakligen tyska verksamheter en snarlik överenskommelse. En skillnad är att NOW (National Organisation Hydrogen and Fuel Cell Technology) var med och signerade och att transportministern var närvarande. I första fasen avser parterna stödja planerna för byggandet av ett antal nya tankstationer till Ekonomiskt stöd till denna utbyggnad hämtas bland annat från ett stimulanspaket emanerande ur den ekonomiska krisen (Konjunkturpaket II). Fasen omfattar också en formulering och utvärdering av en affärsmodell för vätgasinfrastrukturen där såväl privata som offentliga sidans möjligheter beaktas. Under förutsättning att affärsmodellen bedöms hållbar vidtar därefter den andra fasen som omfattar ett landstäckande nätverk av vätgastankstationer som stödjer en kommersiell introduktion av bränslecellsfordon till Tanken är att Tyskland ska utgöra startpunkten för en europeisk utbyggnad av vätgasinfrastruktur. 19 I linje med denna plan byggde Vattenfall under 2009 en tankstation för vätgas i Hamburg, se Figur 11. Den ska med start 2010 försörja tio bränslecellsbussar (jämför 3.2.1). Till 2013 ska kapaciteten dubbleras till 780 kg vätgas per dag, varav hälften produceras on-site med elektrolysör och el från havsbaserad vindkraft och hälften levereras per tankbil. Tankstationen utgör en del av det tyska vätgas- och bränslecellsprogrammet (NIP, jämför rapporteringen för 2008). Figur 11: Vattenfalls vätgastankstation i Hamburg Utöver bussarna ska även 20 B-klass F-CELL köras i Hamburg. Shell och Total ska bygga fyra tankstationer för personbilarna. 20 På ännu närmare håll har Danmark inte bara varit värd för ett seminarium för bränslecellsfordon den 30 november 2009 (inklusive en parad med många olika bränslecellsbilar från Sveriges enda tankstation för vätgas i Malmö över bron till Köpenhamn) utan även etablerat ett par tankstationer för vätgas, jämför Figur 12. Dessutom har staden Köpenhamn antagit en plan om att 85 procent av stadens bilar ska vara eldrivna, antingen med vätgas eller el som drivmedel. På tankstationsfronten leder dock Norge i nuläget Hyweb ; GreenCarCongress Parterna i H2 Mobility initiativet är Daimler, EnBW, Linde, OMV, Shell, Total, Vattenfall och NOW 20 Hyweb ;

20 Figur 12: Vätgastankstationer i Skandinavien 3.4 Aktiviteter inom IEA Advanced Fuel Cells Annex XX/26 I Annex XX Advanced Fuel Cells som under året har bytt nummer till 26 medverkar aktörer enligt Tabell 1. Tabell 1: Medverkande i Annex XX/26 Land Danmark Finland Frankrike Italien Korea Organisation H2Logic VTT Institut FC Lab ENEA Nederländerna ECN Sverige Tyskland USA Österrike Hyundai Motor Corporation AB Volvo FZ Jülich Argonne National Laboratories A3PS Två möten har hållits under Det första mötet organiserades av H2Logic och ägde rum i april i deras faciliteter i Herning i Danmark. Det andra mötet organiserades av ENEA och ägde rum den december i Rom i samband med European Fuel Cell Conference. Under mötena rapporterade varje ansvarig medlem om utvecklingen inom sitt specialområde och sitt land. Vid mötet i Danmark besöktes H2Logics anläggning där det genomförs tester med bränslecellstryckgafflar och små bränslecellsfordon (Think). Vid mötena noterades bland annat följande: 14

21 Honda FCX Clarity har varit tillgänglig för uthyrande med en hyra av 600 USD per månad i södra Kalifornien. Valet av privatpersoner som fick hyra fordonen baserades på resultat av testblanketter som anmälda personer fick göra. För närvarande är 10 av de 200 planerade bilar i drift. Nissan har med en av sina sin X-trail bilar uppnått km körning. I dagsläget finns det inte en lagringsmetod eller ett lagringsmaterial för vätgas som samtidigt kan möta alla krav transportindustrin ställer. ECN som är ansvarig för detta område i annexet genomför omfattande testaktiviteter för att utvärdera olika lagringsmaterial. Idag är 250 bar den enda godkända tryckstandarden som gäller för vätgaslagring. 750 bar är ännu inte godkänd av internationella lagstiftningar. Bränslecellsteknologin befinner sig idag i demonstrationsfasen. Nyckelproblemet är hur man finansierar fasen mellan demonstration till tidig marknadsintroduktion och kommersialisering. I den här övergångsfasen ska fordon ut på marknaden. Ett annat viktigt problem är att lagstiftningen inte är klar än. För att kunna bli konkurrenskraftig inom transportområdet behöver bränslecellteknologin nå en kostnad av USD/kWe för systemanvändaren (fordonsanvändaren). Studier i USA har visat att de volymer som behövs för att nå priset är fordon per år. Förväntad tid för att stänga kostnads- och teknologiklyftan är 5-10 år. Tiden av 5-10 år behövs också för att färdigutveckla vätgasinfrastruktur och lagstiftning. 3.5 EU-initiativ European Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative (FCH JTI) har nu haft sitt andra call. Av den totala omfattningen från kommissionen på 71,3 MEUR i denna utlysning avdelades 26,4 MEUR till Transportation and Refuelling Infrastructure. Till detta kommer ungefär lika mycket i industriell medfinansiering. 22 Från projektet har en kommersialiseringsroadmap enligt Figur 13 hämtats

22 Figur 13: Roadmap för bränslecellsfordon från FCH JTI I den årliga projektsammanställning som European Council for Automotive R&D (EUCAR) gör framgår det att två projekt inom teknikområdet löper ut under 2009 och ett fortsätter fram till mitten av Budgeten för detta projekt är på 5,5 MEUR, varav EUs del är 3,7 MEUR. Volvo och Opel ingår bland industriparterna. Stora satsningar görs på eldrivna fordon, exempelvis inom the Green Cars Initiative, och på nationell nivå i flera länder. Dessa är till nytta i sin helhet även för bränslecellsfordonsutvecklingen. Dock kan det ifrågasättas varför satsningar på batterifordon verkar hållas isär från dito på bränslecellsfordon synergierna torde kunna vara stora. 3.6 Nationella initiativ Sverige Ägarbilden för Volvos bränslecellsverksamhet PowerCell har förändrats under Under sommaren beslutade riskkapitalisten Midroc New Technology, belgiska materialforskningsorganisationen OCAS samt Energimyndigheten att investera 200 Mkr i verksamheten. Därav står Energimyndigheten för ett treårigt lån om 30 Mkr. I slutet av oktober gick Fouriertransform in som ny delägare med 60 Mkr. AB Volvo kvarstår dock som huvudägare med 40 procent av PowerCell. 23 I övrigt verkar framtiden för svenska offentliga satsningar på forskning och innovation inom bevakningsområdet osäker. 23 GreenCarCongress ; Pressmeddelande AB Volvo

23 3.6.2 Tyskland Utöver de stora satsningar som presenterades i rapporten för 2008 har nu även en halv miljard Euro avsatts för programmet Elektromobilität. Även om rubriken förefaller öppen även för bränslecellsfordon verkar programmet enkom avse batteribilar. I ett första steg har åtta tyska städer valts ut bland en lång rad sökande. Dessa ska fungera som pilotstäder i vilka infrastruktur med mera byggs ut för batterifordon. En del av städerna, exempelvis Hamburg, är pilotstäder både för vätgasdrivna fordon och batterifordon. Intressant nog har programmet lagts under NOWs ledning, vilket i princip förefaller rätt med tanke på de stora synergier som de olika inriktningarna på eldrivna fordon torde kunna ha. I praktiken verkar det dock osäkert om satsningarna körs med ambitionen att nå dylika synergier. Än så länge verkar NOW kraftigt präglas av sin ursprungliga inriktning på vätgasdrivna fordon Japan special Inom ramen för denna omvärldsbevakning besöktes Fuel Cell Expo som hölls i Tokyo den februari 2009 och årsredovisningen av JHFC, som också den avhölls i Tokyo i mars Därutöver finns det underlag från en serie intervjuer med centrala aktörer i Japan på bränslecellsområdet, bland annat projektledarna för bränslecellsfordon på Honda, Nissan och Toyota. I en studie av erhållna amerikanska patent på temat el- och hybridfordon täcktes även bränslecellsteknik in, se Figur 14. Där framgår det att Honda varit flitigast med att ta ut patent medan Ford och (Daimler)Chrysler verkar ha en begränsad aktivitet på området. Vidare visar figuren på en ökning i aktiviteten under tidsperioden. Det bör dock noteras att det varit en generell ökning i patentering bland bilföretagen och att japanska företag och då kanske särskilt Honda varit mycket aktiva med att söka patent. I skenet av USCARs statement under 2009 att vätgas och bränsleceller bör få fortsatt stöd (jämför 3.1) är det intressant att notera att det bara är General Motors som verkar ha haft omfattande aktiviteter de senaste åren

24 Figur 14: Erhållna amerikanska patent med relation till vätgas och bränsleceller Den introduktionsplan för vätgasdrivna bränslecellsfordon som FCCJ presenterade den 4 juli 2008 (jämför rapporteringen för 2008 och Figur 15) utgjorde under 2009 alltjämt en viktig stödjepunkt i biltillverkarnas beskrivning av utvecklingen framöver. Figur 15: Japanskt scenario för bränslecellsbilar Från offentligt håll har japanska myndigheter sedan 1970-talet gett stöd till grundläggande batteriforskning. I spåren av oljekriserna gjordes också en satsning på batteribilar. Därutöver har dock offentlig inblandning varit begränsad när det gäller batterifordon och än mindre på hybridfordonsområdet. Traditionen är att biltillverkarna sköter sig själva och Honda har under lång tid haft en betonad inställning mot offentlig involvering. På bränslecellsområdet är det dock litet annorlunda. Med start i att premiärminister Koizumi deklarerade bränsleceller som en nyckelteknologi för japansk industri ungefär 18

25 2002 har ambitionerna från offentligt håll varit betydligt tydligare. Inledningsvis ägnades dock de offentliga satsningarna främst åt vätgasinfrastruktur men cirka 2004 bad biltillverkarna även om stöd till andra frågor. Japan Automotive Research Institute (JARI) har således med offentligt stöd gjort en hel del arbete i första hand relaterat till standardisering av vätgaslagret i fordonet. Omfattande tester av olika typer av åverkan på tanken (externt genom brand, beskjutning m m och internt genom provtryckning) har genomförts och bildat underlag för standardisering. Även Japan har upplevt en ordentlig förskjutning i fokus mot batteribilar och på frågan om hur detta påverkar utvecklingen för bränslecellsfordon svarade ansvarig på NEDO (motsvarar ungefär Energimyndigheten): There is a change in the budget with a clearly increasing battery share and a correspondingly decreasing fuel cell and hydrogen share. However, one role of the government is to ensure that a reasonable level of fuel cell and hydrogen activities is maintained. Furthermore the battery electric vehicles are for the moment only commercially interesting for short range and small vehicle applications whereas the fuel cell technology also allows for longer ranges and larger vehicles. 25 På samma tema menade hon att Japan har haft kontinuerlig forskning på batteriområdet medan andra länder i princip upphörde med batteriforskning till förmån för bränsleceller under en period FC Expo Utställningsdelen hade ett hörn med bilrelaterade utställare där Japan Hydrogen and Fuel Cell (JHFC) projektet tog en stor del av utrymmet. I övrigt var det utställare av produktionsteknisk utrustning som dominerade. Seminariet var mycket välbesökt trots hög avgift med kanske två hundra åhörare. Talarna var projektledarna för respektive bränslecellsfordonsprojekt från Toyota, Honda och Nissan och de levererade ingående beskrivningar av teknikläget och de utmaningar som de fokuserade på, jämför nedan under respektive biltillverkare JHFC Även årskonferensen för JHFC var stor och ambitiös. Resultat och statistik från projektet levererades i mängder men totalintrycket blev ändå att dynamiken i verksamheten är begränsad och att framtiden efter innevarande budgetperiod som sträcker sig över 2010 var ganska otydlig Honda Hondas första bränslecellsbil såg dagens ljus 1994 och omvärlden fick se Hondas bilar år 2000, då med bränsleceller från Ballard i en del av fordonen. Honda var den första biltillverkaren som valde att koncentrera utvecklingen på fordon som tankar vätgas. Något år senare var det bara egna bränsleceller som gällde och tekniken i den FCX Clarity, som nu körs av några tiotal använ- 25 Samtal med S Shishido, NEDO,

26 dare i Kalifornien respektive Japan, framstod som mycket konkurrenskraftig när den presenterades år Trots att stacken ger cirka två kilowatt per liter menade projektledaren Moriya att den ska krympas väsentligt till nästa generation tack vare kraftigt högre strömtäthet i cellerna. Packningsmässigt förefaller Clarityn ha infört med den omfattande integration av stack, kraftelektronik och elmaskin som General Motors under 2009 lyfte fram som en viktig egenskap i deras andra generations bränslecellssystem som presenterades 2009 (jämför 3.2.4). På teknikfronten ser Honda tre återstående huvudfrågor; vätgasinfrastruktur, kostnader och livslängd på bränslecellssystemet. Den sistnämnda frågan handlar främst om degradering till följd av start/stopp samt till följd av för höga eller för låga temperaturer. För höga spänningar över cellerna måste också undvikas. Honda har varit avvaktande med att presentera satsningar på batterifordon, trots det stora intresset från olika håll. Anledningen är att företaget ser bränslecellsfordon som långsiktigt intressantare, inte minst eftersom de menar att el som drivmedel inte utgör en lösning på klimatfrågan utan mer en förflyttning av problemet till en annan sektor. Att vätgasen då framstår som en bättre lösning ur Hondas perspektiv kan nog förklaras med att Honda inte bara utvecklar i princip alla nyckelteknologier för bränslecellsfordonet inhouse, de utvecklar och tillverkar även solceller, elektrolysörer och andra typer av utrustning som kan användas för att etablera helt förnybar bilkörning, jämför Figur Figur 16: Lokal lösning för vätgas och värme Nissan När Renault-Nissan alliansen skapades år 2000 beslutade Carlos Ghosn att stoppa Nissans utveckling av elhybrider och att Nissan skulle satsa på bräns- 26 Samtal med T Moriya och Y Wariishi, Honda R&D Co Ltd, Tochigi,

27 lecellsfordon. År 2009 var Renault-Nissan ett av de bilföretag som tydligast profilerat sig som batteribilstillverkare. Denna utveckling har skett både inom Nissan och hos Renault. Totalt sysselsatte eldrift mer än tusen personer på Nissan år När Ghosn år 2006 beslutade att Nissan skulle återstarta hybridutvecklingen var utgångsläget dåligt med inte bara ett enormt gap i tekniskt kunnande och praktiska erfarenheter i relation till Toyota och Honda utan också barriärer i form av patent som skyddade etablerade lösningar. 27 Bränslecellsfordonsutvecklingen har dock löpt kontinuerligt och den första bilen för allmänna vägar presenterades 2003, då med en stack från UTC. År 2005 introducerades bilar med bränsleceller utvecklade in-house och år 2008 visades nästa generation av bränslecellsstacken. Den hade en något lägre effekttäthet per volymsenhet än den som Honda presenterade två år tidigare men uppvisade stora förbättringar i förhållande till första generationens stack. Bland de tekniska utmaningarna tog Nissan utöver det som nämnts av Honda även upp vätgaslagring ombord. Nissans bilar klarade bortåt 500 km per tank (70 bars tryck) men uppenbarligen var Nissan ändå inte nöjd med de då aktuella lösningarna. Exempelvis visade Nissan att en metallhydridtank kan lagra 80 procent mer vätgas per volymsenhet än en trycktank (35 bar). Men då väger tanken också mer än tre hundra kg Toyota Världens största biltillverkare och tillika världens största investerare i forskning och utveckling år 2009 startade bränslecellsforskning år 1992 och presenterade sina första bränslecellsfordon på EVS-13 i Osaka Två RAV 4 prototypbilar hade då tagits fram och visades för en publik som förmodligen inte tyckte det var så särskilt intressant med tanke på att det då var batterifordon som gällde. I slutet av 2002 tillverkades ett 20-tal bilar för demonstrationsprojekt i Japan och USA. Sedan dess har Toyota utåt sett inte gjort så tydliga framsteg och även om en advanced version av företagets FCHV har uppvisat imponerande räckvidd och hyfsad energieffektivitet är tillgången på mer detaljerad information om nuläget dålig. Med tanke på Toyotas ledande position på hybridfordonssidan är kanske inte heller behovet av att lägga alla korten på bordet överhängande. Klart är emellertid att Toyota liksom flertalet övriga biltillverkare tar fram bränslecellstekniken in-house. Likaledes bedriver Toyota på samma sätt som Honda forskning och utveckling om solcellsteknik och andra angränsande teknologiområden. På området stationära bränsleceller meddelades det i april att Kyocera, Osaka Gas och Aisin Seiki bildade ett joint-venture med Toyota för att ta fram fastoxidbränsleceller (SOFC) för bostäder. Beslutet att forma detta samarbete grundades bland annat i Toyotas bedömning att SOFC har bättre framtidsut- 27 Hybrid race discourages late entrants, Nikkei Weekly Samtal med A Iiyama och N Hara, Nissan Research Center, Oppama, samt Iiyamas presentation

28 sikter än PEFC för denna tillämpning. Kyocera har, likt Honda, kommersiell tillverkning av solceller. 29 För traktionära tillämpningar redovisade Toyota en detaljerad beskrivning av följande nyckelområden för vätgasdrivna bränslecellsfordon: Räckvidd Prestanda i hög och låg temperatur Stackens livslängd Kostnader. På temat räckvidd framhölls en ökning av bränslecellssystemets högsta verkningsgrad från 55 till 64 procent. Vidare menade Toyota att bilen har en wellto-wheel verkningsgrad om 40 procent baserat på primärenergin naturgas och tankning av vätgas vid 70 bar. En batteribil med el från naturgas uppgavs som jämförelse ha 33 procent verkningsgrad. Toyotas bil har klarat körprov ner till -37 grader Celsius men låga temperaturer utgör ändå en utmaning. Dels kan stacken frysa när den inte är igång på grund av kvarvarande vatten, dels kan den frysa under uppstart på grund av vattenbildning i processen som fryser innan systemet nått plusgrader. Åtgärder omfattar utblåsning av vatten vid nedstängning, ökad kapacitet att lagra vatten samt snabbare uppvärmning av stacken. Dock är det inte önskvärt att som i nuläget ibland behöva bortåt en halv minut för att rensa systemet från vatten när tändningen stängts av. Livslängden påverkas främst av stopp/start och då i synnerhet starter vid minusgrader. Membranet har visats behålla minst 70 procent effekt under motsvarande 25 års ägande och körning i km/h. Detta måste dock bekräftas av fältdata. Parallellt ska elektrolyten göras tunnare och stackens prestanda ökas. Kostnadsmässigt framhöll Toyota en drastisk reduktion för de kommande båda generationerna, jämför Figur 17. I första vändan ska kostnaderna ner till en tiondel genom ett enklare system (ta bort extern luftfuktare t ex), en mindre, enklare och platinasnålare bränslecellsstack samt andra material och effektiv produktion. På temat platina är målet 10 g för en stack om 100 kw (samma som Nissan). Ett sätt att göra stacken effektivare och enklare är att höja driftstemperaturen. Målet är 105 grader Celsius, vilket dock anses mycket svårt att klara men Toyota vill åtminstone nå grader C. Liksom Honda menar Toyota att strömtätheten i cellerna bör fördubblas, det skulle i så fall ge en halvering av materialåtgången. Gastankens kostnad domineras av materialkostnaden. Ett skifte från aviation grade kolfiberliner till vanlig sådan liner eller rentav metall skulle reducera kostnaderna väsentligt, dock till priset av en något tyngre tank. 29 Kyocera s fuel-cell tech gets Toyota s backing, Nikkei Weekly

29 Figur 17: Kostnadsreduktionsåtgärder När det gäller tankning av vätgas angav Toyota målet 5 kg på tre minuter och menade att det inte har gjorts tillräckligt för att analysera möjliga affärsmodeller för vätgasleveranser. (Detta sades i februari 2009 och har måhända bönhörts senare, jämför 3.3.2) Samtal med T Kawai, Toyota Motor Corporation, Higashifuji Technical Center, samt Kawais presentation

30 4 Framtida utveckling Diskussionen om bränslecellsbilar tenderar ofta att bli en jämförelse med andra former av eldrift, t ex batteribilar och laddhybrider. Med tanke på hur marknaden ser ut borde jämförelsen i första hand göras med förbränningsmotorbilar, drivna med bensin, diesel eller alternativa drivmedel. Denna rapport landar också i att huvudsakligen jämföra olika varianter av elektrifiering. En viktig skillnad är dock att synergierna mellan de olika elektrifieringsformerna lyfts fram snarare än respektive tekniks relativa tillkortakommanden. Exempelvis har de hybridfordon som tagits fram av Toyota och Honda haft en mycket stor betydelse för utvecklingen av eldriften på komponent-, system och användarnivå. 4.1 Bränslecellsbilar en parentes i utvecklingen? Det har nu gått mer än tio år sedan bränsleceller lyftes fram som ersättare till batterier som huvudalternativ till förbränningsmotorfordon. Från att ha varit föremål för stor entusiasm kring millenniumskiftet har uppmärksamheten kring bränslecellsfordon minskat kontinuerligt till förmån för andra alternativ. I Sverige är detta extremt tydligt medan det i övriga något större biltillverkarländer är en något måttligare tyngdpunktsförskjutning mot andra typer av elbilar. I linje med vad som påpekats i teknikbevakningsrapporterna 2007 och 2008 börjar nu bränslecellsintressenter betona att det inte finns något större motsatsförhållande mellan olika typer av eldrift: Målet ska vara säkringen av internationell konkurrenskraft i frågor som rör framtida, hållbar energiförsörjning och mobilitet. Vätgas och bränsleceller utgör i detta sammanhang ingen konkurrerande teknologi till batterisystem. 31 DWV has repeatedly stated that there is neither a contradiction nor a competition between fuel cell and battery electric cars. The latter is a meaningful complement for the first in the context of an environmentally friendly and sustainable mobility which extends far beyond the simple exchange of conventional for other vehicles. Fuel cell vehicles need a battery as well, by the way. 32 There is one thing that has really frustrated me in the last couple of years...it has been the ideological, I would almost say theological, debate between the people who think that hydrogen fuel cells are the answer and the people who think that only battery electric vehicles are the answer. Each of them do their best to trash the credibility, viability and good faith of the other side. It may be that we feel a need as 31 Ur PM från tyska forskare och industriföreträdare, citerat i Hyweb (översättning från tyska) 32 The crisis of hydrogen fuel, pressinformation från Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen- Verband (DWV)

31 humans to be passionate about our particular solutions to whatever the technology is, but from the point of view of a regulator, this is madness. 33 Att detta betonas kan ses som en bekräftelse på batteribilens nuvarande starka övertag i policysfären. I en del kretsar känns det idag snudd på töntigt att hävda att bränsleceller inte är uträknade som alternativ för framdrivning av fordon. Exempelvis verkar den i EU-sammanhang på transportområdet ganska tongivande teknikplattformen European Road Transport Research Advisory Council (ERTRAC) ha marginaliserat vätgas och bränsleceller. Samtidigt görs det inte försumbara ansträngningar från industriellt håll för att ta fram bränsleceller för fordon, vilket bland annat denna rapport söker tydliggöra. Nationell elektrokemisk forskning talar samma språk som biltillverkarna i denna rapport, batterierna kommer att bli bättre i många avseenden men så värst mycket högre energidensitet ska vi inte vänta oss, åtminstone inte i ett medellångt perspektiv, jämför Figur Figur 18: Batteriutvecklingen I flertalet biltillverkares utvecklingsutsikter finns bränslecellsbilar kvar som det hägrande målet längst bort, jämför Figur 19, som visar General Motors föreställning om hur ökad elektrifiering av bilens framdrivning går till M Nichols, ordförande California Air Resources Board (CARB), citerad i GreenCarCongress G Lindbergh, professor KTH, vid WBCVF P Kedar, GM,

32 Figur 19: Elektrifiering av bilen enligt GM Måhända har dock en viss justering av målbilden ändå smugit sig in genom att batterielbilar och laddhybrider har positionerats som lämpliga för vissa typer av transportbehov, exempelvis stadstrafik. Figur 20 är ett exempel på att en samexistens av olika typer av helt eller delvis elektrifierad drivlina nu bedöms trolig framöver. 36 Figur 20: Positionering av framtida fordonstyper och drivlinor Honda har dock betonat bränslecellsbilens roll: Jag tror att FCVs är den ultimata lösningen. Vi ska utveckla FCVs ordentligt. Batteri-EVs och PHEVs är halvdana produkter med begränsade användningsområden. De är inte ultimata miljöbilar. Batteri-EVs har dock utvecklingspotential. På laboratorienivå studerar vi EVs Toyota, från GreenCarCongress T Fukui, VD för Honda, Nikkei Net , ur nyhetsbrev från K Maruo Fukui har dock under 2009 ersatts av T Itoh som framstår som mindre kategorisk i denna fråga 26