Teknikbevakning av traktionära bränsleceller 2007 Elforsk rapport Hans Pohl Januari 2008
Teknikbevakning av traktionära bränsleceller 2007 Elforsk rapport Hans Pohl Januari 2008
Förord Denna rapport är framtagen inom Teknikbevakningsprojektet inom bränslecellsområdet 2007 (Elforsk projektnummer 2502). Rapportens huvudsakliga slutsatser presenteras i slutrapporten för hela Teknikbevakningsprojektet (Elforsk-rapport 08:01). Projektet har finansierats till största delen av Energimyndigheten. EON Sverige och ABB Corporate Research har bidragit med egeninsatser. Stockholm januari 2008 Sara Hallert Programområde El- och värmeproduktion
Sammanfattning Denna rapport söker översiktligt beskriva utvecklingen i världen inom området traktionära bränsleceller med fokus på tillämpningar i vägfordon. Tekniskt konstateras att utvecklingen inom flera huvudområden går snabbt men att det alltjämt förmodligen återstår en del tills bränslecellsbilar kan introduceras storskaligt på marknaden. Livslängd för bränslecellsstacken hör tillsammans med kostnaden till de frågor som på kort sikt anses utmanande. Europeisk bilindustri efterfrågar, att döma av EUCAR:s prioriteringar inför sjunde ramprogrammet, i ökande grad forskning och utveckling inom bränslecellsområdet. Svensk bränslecellsforskning är blygsam i relation till bilindustrins nationella betydelse och vad som satsas i andra bilindustriellt viktiga länder. Vardera kring hundra bränslecellsfordon från Honda respektive GM kommer att med start 2008 placeras ut bland privata användare, främst i Kalifornien där mer än 20 tankstationer för vätgas finns. Även andra biltillverkare genomför liknande aktiviteter, dock vanligen med färre fordon. Trycksatt vätgas är det drivmedel som verkar gälla för bränslecellsfordon. En rad demonstrationsprojekt med vätgasdrivna fordon pågår och det finns uppskattningsvis ett par hundra tankstationer för vätgas globalt. I bedömningen av framtida utveckling betonas eldriftens goda möjligheter att reducera klimatpåverkan. Hög verkningsgrad i fordonet och flexibilitet i valet av primärenergi gäller för såväl batteri- som bränslecellsfordon. Traktionära batterier och bränsleceller jämförs översiktligt. Det som talar emot bränslecellsfordon är främst det stora behovet av insatser för vätgasförsörjning. Det som talar emot batterifordon är den minskade flexibilitet som begränsad räckvidd i kombination med små möjligheter att ladda tillräckligt fort innebär. Plug-in hybrider, dvs. laddningsbara elhybrider med kapacitet att köra en sträcka i eldrift, är en väg att öka flexibiliteten. De bedöms emellertid inte som ett särskilt intressant alternativ på lång sikt. Bland förslagen till insatser i Sverige nämns exempelvis att ett partnerskap kan vara intressant mellan vätgasdemonstrationsprojektet i Berlin (CEP) och det eventuella el- och hybridfordonsdemonstrationsprojekt som diskuteras inom ramen för Test Site Sweden.
Summary This report provides a brief description of the development in the world regarding tractionary fuel cells with a focus on automotive applications. As regards the technology a rapid development in several main areas is noted. It remains however probably still some issues before fuel cell vehicles become ready for large scale commercialisation. Among the issues that are considered challenging in the short term are the durability/life time of the fuel cell stack and production cost. European automotive industry demands, according to the priority settings of EUCAR relating to FP7, increased R&D efforts in the fuel cell area. Swedish fuel cell R&D is limited in comparison to the volumes in other important automotive countries. Starting 2008 Honda and GM are placing about one hundred fuel cell vehicles each in the hands of private users, mainly in California where more than 20 hydrogen refuelling stations exist. Other car makers carry out similar activities but normally with a smaller scope. Pressurised hydrogen appears to be the expected fuel for fuel cell vehicles. A number of demonstration projects with hydrogen propelled vehicles are active and there are approximately 200 refuelling stations for hydrogen globally. In the analysis and estimates of the future development the advantages of electric propulsion as regards climate change are emphasized. A high efficiency and a flexibility in the choice of primary energy is valid for both battery and fuel cell vehicles. Tractionary batteries and fuel cells are compared broadly. Main aspect speaking against fuel cell vehicles is the large need for investments in hydrogen infrastructure. The reduced flexibility caused by a limited range in combination with small possibilities to charge the batteries rapidly enough is speaking against battery electric vehicles. Plug-in hybrids, i.e. rechargeable electric hybrids with some range in electric mode, is one way to increase the flexibility. They are however considered of limited interest as a long-term alternative. Among the proposed efforts to be made in Sweden it could for example be interesting to establish a partnership between the hydrogen demonstration project in Berlin (CEP) and the possible electric and hybrid electric vehicle demonstration project that is discussed within the framework of Test Site Sweden.
Innehåll 1 Bakgrund till projektet 1 2 Beskrivning av tillämpningsområdet 2 2.1 Teknik och tillämpningar rapportens omfattning... 2 2.2 Tekniska huvudfrågor... 2 2.2.1 Livslängd och driftsäkerhet... 2 2.2.2 Effekttäthet... 3 2.2.3 Drivmedel och energilager... 3 2.2.4 Kostnader... 4 2.2.5 Kallstart... 4 3 Teknikbevakning 2007 5 3.1 Forskning och innovation i Sverige och EU... 5 3.1.1 Sverige... 5 3.1.2 EU... 5 3.1.3 Uppdaterad WTW analys... 6 3.2 Forskning i övriga världen... 6 3.2.1 Sverige i relation till världen... 6 3.3 Fordon... 7 3.3.1 Honda FCX Clarity... 7 3.3.2 Chevrolet Equinox... 8 3.3.3 Chevrolet Volt Hydrogen... 9 3.4 Demonstrationsprojekt... 9 3.4.1 Clean Energy Partnership (CEP) i Berlin... 10 3.4.2 California Fuel Cell Partnership (CaFCP)... 10 3.4.3 Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project (JHFC)... 11 3.4.4 HyFLEET:CUTE... 11 3.4.5 HYCHAIN MINI-TRANS... 11 3.5 Drivmedelsinfrastruktur... 11 3.5.1 Distributionsmöjligheter... 11 3.5.2 Utbredningen av tankstationer för vätgas... 12 3.5.3 Strategi för utveckling ett position paper... 13 4 Framtida utveckling 14 4.1 Är bränslecellsbilar att räkna med?... 14 4.2 Teknikutveckling batterier och/eller bränsleceller?... 14 4.3 Elbilar vad driver utvecklingen?... 16 4.4 Insatsbehov i Sverige... 17 4.4.1 Uthållig kompetensuppbyggnad... 17 4.4.2 Oberoende analyskapacitet... 18 4.4.3 Test och demonstration... 18 4.5 Huvudfrågor för kraftindustrin... 19 4.5.1 Energibäraren vätgas... 19 4.5.2 Bilindustrin mästare på massproduktion... 19
1 Bakgrund till projektet Rapporten är beställd av Elforsk och ska behandla översiktlig omvärldsbevakning av utvecklingsstatus för området traktionära tillämpningar av bränslecelltekniken. Hans Pohl har genomfört uppdraget med intervjuer av nyckelpersoner samt studier av tidskrifter, rapporter och hemsidor som huvudsakliga informationskällor. För rapporten i sin helhet svarar författaren. Det bör noteras att budgeten för uppdraget motsvarar cirka fyra arbetsdagars insats, varför det inte funnits utrymme för särskilt omfattande studier och analyser. 1
2 Beskrivning av tillämpningsområdet 2.1 Teknik och tillämpningar rapportens omfattning Traktionära bränsleceller används tillsammans med elmotorer för framdrivning av fordon och farkoster. Även om det finns ett flertal speciella tillämpningar där bränsleceller har eller kan tänkas ha särskilda fördelar, exempelvis i u-båtar, gruvmaskiner m m, kommer föreliggande lägesrapport begränsa sig till att i huvudsak behandla vägfordonstillämpningar. Eftersom i princip alla vägfordon med bränslecellsdrift använder polymerelektrolytbränsleceller (PEM-celler) är det den tekniken som avses nedan, om inte annat anges. En specifik fordonsindustriell tillämpning som förvisso inte är traktionär, men som kan vara av relativt stort intresse för svensk fordonsindustri, är bränsleceller för produktion av el som hjälpkraft (APU = auxiliary power unit), exempelvis när den stora dieselmotorn anses olämplig att använda för elproduktion tillsammans med en generator. Denna tillämpning berörs marginellt i rapporten. 2.2 Tekniska huvudfrågor Enligt Shears är nuvarande begränsningar för bränslecellsfordon Range, cost, performance, infrastructure & availability of near-zero GHG emission hydrogen. 1 Toyota formulerar utmaningen som att the fuel cell life must be made three times longer, its power doubled, and the production cost of fuel cell vehicles cut by up to 99 per cent. 2 En annan indelning av några viktiga frågor och utmaningar för bränslecellsfordon följer i nedanstående underrubriker. 2.2.1 Livslängd och driftsäkerhet Inte minst erfarenheterna från batteribilsförsöken runtom i världen visar på svårigheterna med att få teknik som fungerat väl i andra sammanhang att hålla i fordonstillämpningar. Trots att robust batteriteknik valdes där omfattande erfarenheter fanns att tillgå visade det sig ofta att lösningarna inte motsvarade det förväntade när de väl kom i praktisk användning i bilar. Än så länge har bränslecellsfordon främst körts i mycket väl kontrollerade försök, varför dylika obehagliga överraskningar har undvikits eller åtminstone inte blivit allmänt kända. Bilindustrin siktar på en lösning där bränslecellerna inte ska behöva bytas ut under bilens livstid. Således krävs cirka 8 000 timmars driftstid med goda 1 Shears, J (2007) Hydrogen and fuel cells: a comprehensive solution in the fight against global warming (s 2) 2 The Vehicle Component 2007:6 (s 10) 2
prestanda. I GM:s nu aktuella Project Driveway konstrueras bilarna för en livslängd om 3 500 timmar eller 80 000 km. 3 Enligt Göran Lindbergh, KTH, har livslängden blivit högre prioriterad under senare år och framstår som det tuffaste kravet att möta. I Sverige används ofta de amerikanska utvecklingsmålen, vilket för bränslecellssystemet innebär 5 000 timmar driftstid år 2010. 4 2.2.2 Effekttäthet Hela bränslecellssystemet måste få plats i motsvarande utrymme som konventionell framdrivning kräver. Utvecklingen har gått fort på detta område och målen för 2010 och 2015 om 650 W/kg respektive 650 W/l har förmodligen redan passerats av flertalet ledande företag. 4 Exempelvis anger Honda att deras bränslecellsstack av 2006 års modell ger cirka 1,5 kw/kg och 2 kw/l. 5 Siffrorna kan dock inte jämföras rakt av eftersom målen avser hela systemet medan Hondas uppgifter bara avser själva stacken. 2.2.3 Drivmedel och energilager Bilindustrin verkar, att döma av det som är offentligt, i princip enbart arbeta utifrån tesen att bränslecellsbilen ska tanka vätgas, och då i första hand komprimerad sådan. Reformering av andra bränslen ombord, exempelvis metanol, förefaller inte vara på agendan längre. Valet av vätgas gör det klart lättare för bilindustrin att klara det som den uppfattar som sin del av marknadsintroduktionen av bränslecellsbilar. Toyota sade redan för några år sedan att vi kan och kommer att producera bränslecellsbilar när väl infrastrukturen för att tanka vätgas finns på plats. Valet av vätgas gör det emellertid svårare för övriga aktörer då det därmed saknas en övergångslösning som kan använda existerande infrastruktur. Övriga fordon med alternativa drivmedel har ju vanligen kapaciteten att också använda det befintliga drivmedlet, vilket självklart kraftigt underlättar uppbyggnaden av en ekonomiskt intressant flotta av fordon. Vidare krävs det uppbyggnad av tillverkning och heltäckande distribution av komprimerad vätgas, vilket är en långsiktig investering som få aktörer vill göra så länge som det är osäkert om, när och i så fall hur snabbt vätgasdrivna fordon kommer ut på vägarna. Med vätgasen kommer också lagringsproblematiken vätgasen inklusive sin behållare är betydligt större, tyngre och dyrare än motsvarande bensintank. Men tack vare bra verkningsgrad tank to wheel förefaller tillräcklig räckvidd per tank kunna nås redan vid trycket 350 bar. Flera av de fordon som presenterats under 2006/2007 anger räckvidder på mellan 400 och 750 km per tank, antingen med 350 bar eller 700 bar. 6 3 FUEL CELLS BULLETIN 2007:01 4 US Department of Energy: FreedomCAR & Fuel Partnership, Fuel Cell Technologies Roadmap, 2005 5 Pressinformation Honda November 2007 6 750 km räckvidd avser Toyota FCHV, enligt nyhetsbrev från Maruo, K. 1/10 2007 3
2.2.4 Kostnader De få kostnadsangivelser som når allmänheten tyder på att bränslecellssystemen fortfarande är långt ifrån konventionella förbränningsmotorer kostnadsmässigt. Målen i USA är 35 respektive 25 USD per kw för åren 2010 respektive 2015. 4 Ständigt minskande behov av platina och betydande förenklingar i själva stackens utformning är exempel på faktorer som talar för att tillverkningskostnaderna kan komma att bli konkurrenskraftiga när väl masstillverkning är igång. 2.2.5 Kallstart För några år sedan kunde ingen bränslecellsbil starta på rimlig tid vid minusgrader. Nu är det historia och flera tillverkare uppger att fordonen klarar start vid -20 eller -30 grader Celsius. Målet är -40 grader Celsius. 4
3 Teknikbevakning 2007 3.1 Forskning och innovation i Sverige och EU 3.1.1 Sverige I huvudsak två nationella finansiärer av forskning kring PEM-bränsleceller för fordon finns; MISTRA och Energimyndigheten. MISTRA:s Fuel Cell Program är i sin tredje fas nu inriktat på forskning relaterad till produkter på kort och medellång sikt och omfattar fem projekt, varav tre handlar om utformning och produktion av MEA (membrane electrode assembly) och de två övriga om att karaktärisera en bränslecell i olika avseenden. Över tidsperioden 1997 2009 investerar MISTRA 110 miljoner kronor, varav en mindre del dock avser batteriforskning. 7 Energimyndighetens program Energisystem i vägfordon omfattar i nuläget en handfull projekt, samtliga kring användningen av bränsleceller som APU i (tunga) fordon. Knappt en miljon kronor är beviljade för bränslecellsforskning och cirka 4,6 miljoner kronor för vätgasproduktion genom reformering av kolväten. 8 Även inom Gröna bilen förekommer viss bränslecellsforskning, på senare tid inriktad på APU. 3.1.2 EU Sex olika pågående projekt på temat bränsleceller och vätgas är upptagna i EUCAR:s dokument Collaborative R&D for the future 2007-2008. Flertalet fokuserar på vätgashantering i olika avseenden och två av dem; HySYS och HyTRAN, inbegriper bränslecellsutveckling. EU satsar cirka 20 och industrin cirka 40 miljoner Euro i dessa två projekt som pågår i 4-5 år. Bland forskningsbehoven för 2008 och framåt betonar EUCAR bränslecellsutvecklingen tydligare med flera projekt inriktade just på bränslecellen och dess delar. 9 EUCAR:s sammanställning är långt ifrån fullständig. Bland annat nämns inte en sannolik stor EU-satsning, den s.k. JTI:n Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative som ännu inte är slutligt formaliserad. Pådrivande är bland andra teknikplattformen European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform. 10 7 www.mistra.org samt www.mistrafc.se (januari 2008) 8 Projektlista på Energimyndighetens hemsida (januari 2008) 9 EUCAR samordnar en stor del av den europeiska bilindustrins forskning och utveckling inom EU, se www.eucar.be 10 För aktuell status, se exempelvis www.hfpeurope.org 5
3.1.3 Uppdaterad WTW analys EUCAR, Concawe och EU-kommissionens Joint Research Centre har under 2007 uppdaterat den well-to-wheels analys som först publicerades 2003. Bakom rapporten står flertalet biltillverkare och oljebolag i Europa. 11 Bland slutsatserna om vätgas och bränsleceller går det att utläsa: På kort sikt är naturgas den enda möjliga basen för storskalig produktion av vätgas Naturgasbaserad vätgas ger bara minskningar av GHG (green-house gases, dvs. klimatpåverkande gaser) om den används i bränslecellsfordon och då till hög kostnad På kort sikt är vätgasdrivna förbränningsmotorbilar billigare än bränslecellsbilar. Dessa ger dock ökade utsläpp av GHG om naturgasbaserad vätgas används Vätgas från elektrolys baserad på EU:s elmix ger högre utsläpp av GHG än vätgas från naturgas Förnyelsebara insatsvaror kan användas effektivare genom direkt användning som elektricitet snarare än som drivmedel till fordon Ombordreformering (av fossila bränslen) ger liten GHG reduktion jämfört med avancerade konventionella drivlinor och hybrider Ombordreformering kan vara en möjlighet att etablera bränslecellsbilteknologin med existerande infrastruktur Vätgas som drivmedel har nästan alla GHG utsläpp i produktionen och distributionen, vilket gör det särskilt intressant för koldioxidavskiljning och -lagring. Rapporten utgör en mycket omfattande genomgång av flertalet möjliga kombinationer av drivlinor och drivmedel och är förmodligen ganska tongivande. Tyvärr medger vare sig min kunskap eller uppdragets budget någon detaljerad analys av resonemangen, som vid första anblicken framstår som ganska konservativa. Ett stickprov i underlagsmaterialet indikerar dock att siffrorna knappast överskattar teknikutvecklingen. I tabell 6.1.2 på sida 46 anges massan för en bränslecellsstack i 2010 års bil till 150 kg. Hondas stack på 100 kw årsmodell 2006 vägde 67 kg. 12 Är övriga siffror valda med samma bias bör nog slutsatserna tolkas försiktigt. 3.2 Forskning i övriga världen 3.2.1 Sverige i relation till världen I en aktuell omvärldsanalys genomförd på uppdrag av Programrådet för fordonsforskning anges USA:s satsningar på bränsleceller uppgå till 418,5 miljoner Euro för tidsperioden 2002-2008. I Japan satsas 483 miljoner Euro på 11 Concawe, EUCAR, JRC Well-to-wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context (version 2c, March 2007) 12 Honda press information November 2007: FCX Clarity 6
vätgas och bränslecellsfordon för samma tidsperiod. 13 Korresponderande svenska satsning uppskattas vara kring 10 miljoner Euro. Rapportförfattarna konstaterar på sida 14-15 att Sweden has not taken a strong position in the longer-term technological opportunities or in hydrogen infrastructure. Rather, its R&D support is shorter term, reflecting the more immediate interests of the automotive industry and possibly also the interest of other stakeholders in biofuels. 3.3 Fordon På hemsidan www.h2mobility.org finns det en god översikt över olika bränslecellsfordon som tagits fram i världen. Under 2006 återfinns 4 olika bussar och 9 olika personbilar med bränslecellsdrift. Under 2007 listas 14 olika bränslecellsbilar och inga bussar. För att belysa sådana bränslecellsfordon som nu kommer ut på vägarna i mer än ett fåtal exemplar har Honda FCX Clarity och GM:s Chevrolet Equinox valts ut för presentation. Dessutom presenteras plug-in hybriden Chevrolet Volt Hydrogen. Honda och GM betraktas av många som ledande inom bränslecellsfordon. Samtidigt är många också överens om att det är svårt att få klarhet i vad aktuell status egentligen är. Många biltillverkare håller en låg profil, antingen för att de inte har något att presentera, eller för att de inte vill avslöja vad de kan. Att det skiljer en faktor två i effekttäthet mellan GM:s bränslecellsstack generation fyra som nu kommer ut på vägarna och generation fem som visades under 2007 i konceptfordon belyser dock att utvecklingen verkar gå relativt snabbt. 3.3.1 Honda FCX Clarity Figur 1: Honda FCX Clarity (Honda) I november 2007 presenterades Honda FCX Clarity, jämför Figur 1. Ett begränsat antal bilar kommer med start 2008 att leasas ut till privatpersoner i 13 A survey of state funding for vehicles R&D in selected countries. A report to PFF. Technopolis 2007 7
Kalifornien för USD 600 per månad. 14 Bilen tankar trycksatt vätgas vid 350 bar och har en räckvidd om 430 km. Förbrukningen anges till 68 mpg vilket motsvarar cirka 0,35 bensinekvivalenta liter per mil. Bränslecellsstacken är Hondas egen V Flow med effekt 100 kw, volym 52 liter och vikt 67 kg. Den har aromatiskt membran och arbetar vid max 95 grader Celsius. Fordonet har vidare ett litiumjonbatteri på 288 V. Inte bara drivlinan utan hela bilen är designad och utrustad för att ge föraren en upplevelse av framtidens bil. 15 3.3.2 Chevrolet Equinox Figur 2: Chevrolet Equinox (www.nytimes.com) Mer än hundra fordon kommer med start i första kvartalet 2008 att lånas ut till privatpersoner i tre områden i USA för provkörning under tremånadersperioder. Bilarna ingår i GM:s Project Driveway och är av typen Chevrolet Equinox. Mer än 18 000 personer har ansökt om att få vara testförare och av dem valdes i första omgången sju ut, jämför Figur 2. För framdrivningen står 93 kw bränsleceller, 73 kw elmotor och nickelmetallhydridbatterier. Bilen tankar vätgas vid trycket 700 bar och en tank uppges räcka till 275 km. Förbrukningen anges till motsvarande 43 mpg/0,55 liter per mil. 16,17 14 Nyhetsbrev från Maruo, K. 24/10 2007: det skall vara flera tio-tals och mindre än 100 15 Pressinformation Honda November 2007 samt http://world.honda.com/ januari 2007 16 New York Times 9/12 2007 från www.nytimes.com januari 2007 17 FUEL CELLS BULLETIN 2007:01 8
3.3.3 Chevrolet Volt Hydrogen Figur 3: Chevrolet Volt Hydrogen (www.autobloggreen.com) Några månader efter presentationen av plug-in hybriden Chevrolet Volt i Detroit januari 2007 visades en annan variant av bilen där ottomotorn ersatts av en bränslecellsstack. Konceptbilen har litiumjon batterier på 8 kwh och bränslecellerna har max effekt 80 kw. Tillsammans driver de elmotorer, en fram och en navmotor i vardera bakhjulet. 18 Bilens räckvidd i eldrift uppges till 32 km och 480 km totalt med 4 kg vätgas. 19 Jämfört med Equinox har Volt Hydrogen en senare generation av bränsleceller från GM, vilket innebär fördubblad effekttäthet. Effekttätheten anges till 3 kw/l och 2 kw/kg. 18 3.4 Demonstrationsprojekt Nedanstående urval återspeglar några relativt stora demonstrationsprojekt där bränslecellsfordon är en viktig del. I takt med att bränslecellsfordon kommer ut på allmänna vägar under mer marknadsliknande former kan betydelsen av demonstrationsprojekten minska medan en väl utbyggd tankinfrastruktur blir allt viktigare. 18 www.autobloggreen.com januari 2008 19 FUEL CELLS BULLETIN 2007:06 9
3.4.1 Clean Energy Partnership (CEP) i Berlin Figur 4: Vätgasbilar (CEP Berlin) Sedan starten 2004 har mer än 400 000 km körts med vätgasfordonen i projektet. I nuläget omfattar CEP 17 personbilar och 6 stadsbussar, merparten med bränslecellsdrift. Fordonen används kommersiellt av företag och förvaltningar i Berlin. Att både departement och förbundskanslerns myndighet har fordon från CEP talar för att projektet kan ge avtryck i den tyska politiken. I projektet ingår utöver användarna elva företag, däribland alla tyska biltillverkare. Två tankstationer finns, varav en publik. Till dessa levererar projektpartnern Vattenfall Europe grön el. Dessutom opererar företaget två stationära bränsleceller vid den ena tankstationen för produktion av el och värme. Vattenfall har även en av bilarna, en F-Cell från Daimler. Ett annat svenskt företag, IKEA, har en Opel HydroGen 3. 20 3.4.2 California Fuel Cell Partnership (CaFCP) Verksamheten startade 1999 och nuvarande planer gäller för tidsperioden 2008 2012. Medverkar gör 21 full och 12 associate members, varav i princip alla större biltillverkare med försäljning i USA (9 st) och flera oljebolag. Projektet avser stödja introduktionen av bränslecellsfordon, bland annat genom demonstrationer av fordon, uppbyggnad av tankinfrastruktur och information till allmänheten. Medlemmar som GM och Honda etablerar för närvarande större testflottor i Kalifornien, jämför ovan. För närvarande rullar 20 www.cep-berlin.de/ januari 2008 10
129 bränslecellsfordon av tiotalet olika modeller i Kalifornien. Ungefär 25 tankstationer för vätgas finns i delstaten. 21 3.4.3 Japan Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Project (JHFC) Projektet startade 2002 och är nu inne i sin andra fas vilken pågår till 2010. Det verkar mer inriktat på datainsamling och utvärdering än CaFCP och omfattar alla fordon med vätgasdrift, dvs. inte bara bränslecellsfordon. Nio biltillverkare och ett antal energibolag medverkar. 22 3.4.4 HyFLEET:CUTE Fortsättningen på EU-projektet Clean Urban Transport for Europe, CUTE, där bland annat Stockholm deltog, samt ett par andra demonstrationsprojekt med vätgasdrivna bussar, heter HyFLEET:CUTE. Busstillverkarna Daimler/Evobus och MAN ska tillsammans med en rad städer dels utveckla och köra de gamla CUTE-bussarna i modifierad version vardera 4 000 timmar till, dels utveckla och köra minst 13 förbränningsmotordrivna vätgasbussar. Dessutom ska koncept för nästa generations bränslecells- respektive förbränningsmotordrivna vätgasbussar utarbetas. Projektet startade 2006 och slutar 2009. EU-kommissionen satsar 19 miljoner Euro och totalt omfattar projektet drygt 43 miljoner Euro. 23 3.4.5 HYCHAIN MINI-TRANS EU-projektet omfattar ett antal fordonsflottor med upp till 158 fordon inom områden där bränsleceller är särskilt intressanta. Fyra länder medverkar, EU bidrar med 17 miljoner Euro och Air Liquide håller samman projektet. I jämförelse med HyFLEET:CUTE är detta projekt inriktat på mindre fordon och med fransk i stället för tysk ledning. 24 3.5 Drivmedelsinfrastruktur 3.5.1 Distributionsmöjligheter Då det primära drivmedlet för bränslecellsfordon är komprimerad vätgas krävs det anläggningar för produktion och distribution av den. Minst tre storlekar på anläggningar kan urskiljas. Central storskalig produktion framstår i nuläget som billigast och energieffektivast men kräver i sin tur transporter av vätgasen till tankstationerna, vilket antingen kan göras med lastbilar eller pipeline. Jämfört med en tankbil med diesel eller bensin kan en tankbil med komprimerad eller flytande väte inte 21 www.cafcp.org januari 2008 22 www.jhfc.jp/e januari 2008 23 www.global-hydrogen-bus-platform.com januari 2008 24 www.hychain.org/index.jsp januari 2008 11
lasta tillnärmelsevis så stor energimängd varför antalet transporter skulle bli mycket stort. Produktion av vätgasen on demand vid tankstationen är en annan lösning som reducerar lagringsbehoven och gör att befintlig infrastruktur för energidistribution kan nyttjas (elnätet eller naturgasnätet). Figur 5: Honda Home Energy Station (Honda) Ett tredje alternativ är produktion av vätgasen hemma. Exempelvis Honda arbetar sedan flera år tillsammans med Plug Power med utvecklingen av en Home Energy Station som både producerar vätgas till fordonet samt el och värme till huset. Dessutom fungerar den som back-up för den händelse att elleveranserna tillfälligt skulle upphöra. Den fjärde versionen presenterades 2007. Naturgas och solceller ger ingående energi, jämför Figur 5. 25 3.5.2 Utbredningen av tankstationer för vätgas Antalet tankstationer för vätgas har ökat snabbt och i januari 2008 fanns det 299 planerade eller operativa i världen. Kartan för Europa framgår av Figur 6. 26 På samma hemsida finns även tankstationer i övriga världen angivna. 25 http://automobiles.honda.com/ januari 2008 26 www.h2stations.org/ januari 2008 12
Figur 6: Vätgastankstationer i Europa (www.h2stations.org) 3.5.3 Strategi för utveckling ett position paper I september 2006 presenterade sex tyska biltillverkare och två energiföretag ett position paper avseende vätgasinfrastrukturen i Europa. 27 Det föreslås en handlingsplan i tre faser: Till 2010: Teknikutveckling och kostnadsreduktion. En region med ett fåtal tankmöjligheter räcker. 2010 2015: Förkommersiella produkter och marknadsförberedelse. En region med täckande tankinfrastruktur (Berlin) samt ett fåtal städer/regioner med tankmöjligheter för stadsbussar (jämför HyFLEET:CUTE). Från 2015: Kommersialiseringsfasen börjar vilken leder till masstillverkning av fordon inom tio år för varje biltillverkare. 27 Next Steps for the Development of a Hydrogen Infrastructure for Road Transport in Europe BMW Group m fl september 2006 13
4 Framtida utveckling 4.1 Är bränslecellsbilar att räkna med? Huvudskälet till att göra omvärldsanalyser som denna är nog att söka besvara rubricerad fråga, helst också med en precisering av hur eventuell volymstillväxt ser ut. Många minns fortfarande när Daimler, dåvarande DaimlerChrysler, gick ut med informationen att de år 2004 skulle inleda kommersiella leveranser av bränslecellsfordon. Min ansats är främst att söka servera underlag som gör att läsaren själv kan bedöma utvecklingen. En som det verkar ganska genomarbetad Mc-Kinseystudie dristar sig emellertid till att ge svar på tiotusenkronorsfrågan när blir bränslecellsbilar ett alternativ att räkna med? Mer än 300 experter intervjuades och dessutom insamlades data om konsumenttrender från mer än 10 000 konsumenter genom internetbaserade enkäter. 28 En av slutsatserna var: The authors are less than optimistic about the chances of hydrogen technologies becoming mainstream by 2020 [ ] Even in a Green World scenario, only 150 000 fuel cell passenger car sales are expected (0,2% of global car sales in 2020). (s 188-189). 4.2 Teknikutveckling batterier och/eller bränsleceller? Fordonsindustrin har två huvudsakliga utvecklingsscenarier för drivlinan, dvs. det som driver bilen framåt/bakåt; antingen fortsatt utveckling av explosionsmotorkonceptet eller övergång till eldrift. I nuläget dominerar som bekant det förstnämnda kraftfullt. Mellanformen elhybriddrift börjar dock bli ett alternativ att räkna med. Toyota har exempelvis sålt cirka 1,2 miljoner hybridfordon sedan 1997. Det bör dock noteras att även om Toyota för tio år sedan började masstillverka och leverera sin elhybrid Prius är volymen elhybrider alltjämt ganska liten i förhållande till den totala marknaden. I Figur 7 visas utvecklingen för hybridfordonens andel på USA-marknaden, som har en förhållandevis stor andel elhybrider. 28 Günnevig, J. et al (2007) DRIVE The Future of Automotive Power: Fuel Cells Perspective. Fuel Cells 07 No. 3, 183-189 14
3 Hybrids share of total US light duty vehicle sales 2,5 2 % 1,5 1 0,5 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 2005 2006 2007 Figur 7: Lätta elhybridfordons marknadsandel i USA (data från www.greencarcongress.com) Eldrift kan lösas på flera olika sätt där batteribilar och bränslecellsbilar är de två vanligaste alternativen. Även här är det möjligt med kombinationer. Genom att förse bränslecellsbilen med batterier kan verkningsgrad och prestanda förbättras, jämför Honda FCX Clarity. Genom att förse batteribilen med bränsleceller kan bättre räckvidd och snabbare tankmöjligheter erhållas, jämför Chevrolet Volt Hydrogen. Plug-in hybrider har under senare år kommit att få mycket uppmärksamhet. Flertalet biltillverkare har visat konceptfordon av plug-in karaktär och så även Volvo PV, jämför Figur 8. Figur 8: Volvo Recharge Concept (Volvo Cars) Om det är så att stora batterier plus konventionell drivlina med mycket avancerad rening tillsammans kostar mindre än bränsleceller inklusive vätgastank kan plug-in hybrider av denna typ vara av intresse. Det förefaller på längre sikt dock tveksamt och kommer dessutom att kräva ganska stor del av bilens totala volym och vikt. I Sverige har bilindustrins intresse för batteriforskning ökat på senare år, enligt Göran Lindbergh på KTH. Det handlar om olika former av litiumbatte- 15
rier. Med tanke på att merparten fordon torde behöva hybridiseras för att klara kommande krav på bränsleförbrukning är det inte förvånande att bilindustrin visar ett sådant intresse. Däremot skulle man ur ett nationellt perspektiv kunna överväga lämpligheten i att bränslecellsforskare därmed byter teknologi. I Tabell 1 listas min bedömning av några aspekter som skiljer batteri- och bränslecellselbilar. Tabell 1: Skillnader mellan batteri- och bränslecellselbilar Bränsleceller Drivmedel Vätgas El Batterier Energilager Vätgastank Litiumbatterier Räckvidd >50 mil ~30 mil 29 Tankningstid ~3 min ~20 min (snabbladdning) Tankinfrastruktur Saknas Finns (långsamladdning) Drivmedelsproduktion Saknas Finns Demonstrationsprojekten med batteribilar under andra halvan av 1990-talet visade med stor tydlighet att bilanvändare i praktiken inte är beredda att kompromissa nämnvärt med bilens funktion och prestanda. I det avseendet är bränslecellsbilen förmodligen överlägsen batteribilen eftersom den erbjuder minst lika stor komfort och flexibilitet som konventionella bilar. Batteribilen torde även om batterierna utvecklas hämmas av att den tar tid att ladda, varför långresor bromsas något. 4.3 Elbilar vad driver utvecklingen? Under lång tid var det främst elbilens låga lokala utsläpp som gjorde att policymakers och andra önskade elbilar. Att elbilen dessutom innebar ett minskat oljeberoende var också positivt. Batteribilar har också varit av intresse bland elproducenterna och då kanske främst som en potentiell tillkommande avsättningsmöjlighet. Sedan slutet på 1990-talet har klimatfrågan kommit att dominera som huvudargument för elbilsförespråkarna. Förbränningsmotorbilarna har efterhand klarat att möta allt tuffare krav på utsläpp ur avgasröret men bränsleförbrukningen har varken varit nämnvärt reglerad eller minskat över tiden. På senare tid börjar krav på minskade emissioner av koldioxid bli konkreta, jämför exempelvis hur EU:s väntade krav på 120/130 g/km nu får genomslag i olika länders straffbeskattning av törstiga bilar. Med en elektrifierad drift kan verkningsgraden i fordonet höjas. Bara genom en hybridisering av ottomotorn kan förbrukningen nära nog halveras och genom en fullständig elektrifiering torde den kunna halveras en gång till. 29 Mierlo, J. van & Maggetto, G. (2007) Fuel Cell or Battery: Electric Cars are the Future. Fuel Cells 07, No. 2, 165-173 (Dessa elbilsvänner förespråkar batteribilar och elhybrider som lämpliga övergångslösningar på vägen mot bränslecellsbilar och anger max räckvidd till 25 mil) 16
Knutna till bränslecellsbilen är stora förväntningar på extrem verkningsgrad och komparativt lägre kostnader. Förbränningsmotorn blir i takt med ökande krav på minskade lokala och globala utsläpp allt mer komplex och således även dyrare att tillverka, trots de under många decennier förfinade tillverkningsmetoderna. Bränslecellsstackens modulära uppbyggnad och många användningsområden gör att stordriftsfördelar kan nås. Så även om det inte framhålls särskilt ofta bland argumenten för bränslecellsfordon är det kanske just den potentiella kostnadsfördelen som väger tyngst. 4.4 Insatsbehov i Sverige 4.4.1 Uthållig kompetensuppbyggnad Teknikskiften tar tid och det eventuella skiftet till bränslecellsfordon är inget undantag. Forskning om teknikskiften framhåller bland annat att en viktig roll för offentliga aktörer är att säkerställa mångfald, eftersom det vid teknikskiften alltid är omöjligt att veta vilket spår som kommer att bli dominerande. Att Sverige sedan 80-talet satsat offentliga medel på forskning inom traktionära bränsleceller är således bra. Att våra biltillverkare periodvis varit långt framme inom el- och hybridfordonsteknik är också bra. Men att så som skett under 2000-talet lägga i princip alla statliga medel på forskning och utveckling inom områden där marknadsintroduktion snart kan ske är riskabelt. Med tanke på att bilindustrin, och i synnerhet inte personbilsindustrin, inte har resurser att i större utsträckning själva ägna sig åt att odla mångfald och långsiktig kompetensbyggnad måste någon annan aktör ta ansvaret för detta. Denna någon annan aktör är främst staten genom olika slags satsningar på forskning och innovation. Nuvarande strategi för forskning och utveckling inom sverigebaserad bilindustri verkar förutsätta att bränsleceller och andra mer exotiska tekniker inte kommer att behövas för framdrivning ens på lång sikt. Traktionära batterier har också beforskats mycket blygsamt trots att samtliga fyra biltillverkare jobbar natt och dag med att få fram fungerande hybridfordon. Förvisso kanske Sverige inte har chansen att bli ett produktionsland för batterier. Men även om vi bara siktar på att använda batterier i ökad utsträckning framgent, torde kompetens krävas för att bli en kvalificerad köpare och systemintegratör av batterier. Ett snarlikt resonemang kan tillämpas på bränsleceller. Men bränsleceller för fordonsdrift är dock vare sig lika nära i tiden eller lika säkert att det kommer till användning som batterier (och elmotorer/generatorer, kraftelektronik m m). Men å andra sidan, om bränsleceller motsvarar förväntningarna, ersätter de explosionsmotorn helt, vilket hittills varit en av de viktigaste teknologierna för biltillverkarna att profilera sig med. Energimyndighetens senaste projekturval med tyngdpunkt i omvandling av diesel till vätgas för drift av APU är i linje med den bedömning av lämpliga nischer som Magnus Karlström gör. 30 Forskningen torde dock ge begränsad 30 Karlström, M. (2005). Fuel cell technology and niches Chalmers/Mistra Report 2005:9 17
kunskap om bränsleceller och i synnerhet traktionära sådana. Det kan tyckas litet riskabelt att ägna resurser åt ett så perifert område som dessutom i första hand är av intresse för lastvagnstillverkarna men kanske skulle en genomlysning av hela projektportföljen i Sverige förklara inriktningen. Sverige ger statligt stöd för uppbyggnad och utveckling av mer än 120 kompetenscentra i olika former. Inget av dem ligger inom bränslecellsområdet. Det mest närliggande är nog Svenskt elhybridfordonscentrum men det verkar inte omfatta bränsleceller. 31 Etablerandet av ett centrum med bränslecellsforskning framstår som lämpligt för att nå ökade möjligheter till internationell samverkan och synlighet. En mycket viktig effekt av forskning är att ett nätverk etableras som gör det möjligt att hålla sig väl informerad om utvecklingsfronten. Satsningarna på forskning och utveckling bör således främja mångfald och internationell uppkoppling. Krav på omedelbar industriell relevans och närhet till marknaden verkar i motsatt riktning. 4.4.2 Oberoende analyskapacitet En framgångsrik strategi för Sverige, som oavsett hur vi vänder oss bara har en bråkdel av de resurser som andra länder kan lägga, bygger på välinformerade prioriteringar. Det faktum att jag blivit ombedd att skriva denna omvärldsanalys indikerar att vi i nuläget har mycket klent med resurser för initierad bevakning av traktionära bränsleceller. Självklart finns det personer inom bilindustrin som är väl informerade. Men att förlita sig till denna analyskapacitet har sina begränsningar, exempelvis: Industrin har av konkurrensskäl begränsat med intresse av att dela med sig Arbetsdelning i koncernen kan begränsa handlingsfriheten, exempelvis har ju både Ford och GM sin utveckling av bränsleceller utanför Sverige Risken för att det interna tröghetsmomentet i industrin inom det konventionella förbränningsmotortrajektoriet dämpar entusiasmen för mer radikala uppslag är påtaglig. Inom akademin kan det vara svårt att förena helhet och systemsyn med framgångsrik publicering. Av bland annat dessa skäl framstår det som lämpligt att säkerställa en industrioberoende funktion/gruppering för omvärldsanalys inom bränslecellsområdet där olika infallsvinklar möts. 4.4.3 Test och demonstration Sedan Kommunikationsforskningsberedningens satsningar på el- och hybridfordonsdemonstrationer i samverkan med Sveriges tre största städer samt framtagningen av några innovativa hybridbussar och lastbilar har det varit tunt med dylika initiativ i Sverige. Sedan ett par år tillbaka finns dock Test Site Sweden som koordineras av Lindholmen Science Park. Inom ramen för 31 www.chalmers.se/hosted/shc-en/about-us januari 2008 18
detta initiativ finns det planer på att testa och demonstrera elfordon. Siktet är inställt på plug-in hybrider, bl a eftersom bilindustrin i Sverige har vissa aktiviteter på det området. Vattenfall är tilltänk part för laddinfrastrukturen. För att gynna mångfalden vore det bra om även bränslecellsfordon fick chansen att komma ut på svenska vägar (inte bara Honda FCX:s gästspel på Gotland sommaren 2007). Kanske skulle ett samarbete med CEP i Berlin vara ett intressant och kostnadseffektivt sätt att inleda dylika aktiviteter? De har tyngdpunkten på bränsleceller och Göteborg med omnejd har tyngdpunkten på batterier. Flera av parterna i CEP har ju relationer till Sverige. Även om nuvarande bilindustriella struktur och arbetsdelningen inom den talar emot nämnvärda svenska aktiviteter på bränslecellsområdet, finns det inget som säger att vare sig ägarförhållanden eller arbetsfördelningen kommer att bestå för tid och evighet. Och även om Sverige förmodligen inte blir det land som är först ut med storskalig bränslecellsfordonsintroduktion, torde det vara av stor vikt för tillverkare och underleverantörer att ha uppbyggd kompetens och praktiska erfarenheter. 4.5 Huvudfrågor för kraftindustrin 4.5.1 Energibäraren vätgas Det är inte möjligt att inom ramen för detta arbete analysera vätgasens eventuella roll i det svenska och europeiska energisystemet. Tidigare rapporter från Elforsk och Energimyndigheten har gjort uppskattningar av hur många TWh som ett skifte till eldrivna transporter skulle innebära. Ett skifte till vätgas skulle förmodligen kräva något mer, då bränslecellsfordonens verkningsgrad bedöms vara något lägre än batteribilarnas och omvandlingsförluster vid produktion och distribution av vätgas sannolikt är större än för elektriciteten. En teknisk lösning att hålla under uppsikt, åtminstone för de delar av Sverige som har naturgas, är konceptet Home Energy Station som Honda utvecklar, se ovan. Liksom för lösningar med stationära bränsleceller för distribuerad elproduktion är detta ett alternativ till dagens storskaliga produktion av el och värme. Exempelvis har Toyota gjort ett större antal installationer av distribuerad kraftvärmeproduktion baserat på bränsleceller. 32 En roll som lagringsmedium för intermittenta energikällor som sol, vatten och vind kan eventuellt bidra till att göra vätgasen attraktivare. 4.5.2 Bilindustrin mästare på massproduktion Även om det ibland hävdas att bilindustrin är ganska obenägen att driva stora teknologiska förändringar finns det mycket som den är bra på. En sådan sak är masstillverkning. Så eftersom traktionära tillämpningar av bränslecellstekniken framstår som betydligt mer utmanande än många andra tillämpningar av bränsleceller, framstår det som möjligt och till och med troligt att bilindu- 32 FUEL CELLS BULLETIN 2007:06 19
strins ansträngningar kommer att leda till mycket kraftfulla och kostnadseffektiva energiomvandlare baserade på bränsleceller. För kraftindustrins del innebär det åtminstone att nuvarande former för distribuerad produktion av el (och värme) kan och bör utvärderas i jämförelse med bränslecellstekniken. I detta sammanhang kan den forskning om dieselreformering som Energimyndigheten finansierar vara av intresse även för kraftindustrin. 20