Polttokennot tarjoavat hiilineutraalia voimansiirtoa pitkän matkan liikkumiselle tulevaisuudessa

Jopa 40-tonniset yhdistelmät voivat lähitulevaisuudessa kulkea yli tuhat kilometriä täysin sähkötoimisesti. Uusiutuvista lähteistä tuotetulla vedyllä käytettävät polttokennot ja niillä sähköistettävät voimansiirtolinjat mahdollistavat ilmastoneutraalin tavaroiden ja raaka-aineiden kuljettamisen.

Bosch ottaa ensimmäiset askeleet tähän suuntaan kehittämällä polttokennovoimansiirtoa ensisijaisesti keskittyen kuorma- ja yhdistelmäajoneuvoihin, ja yrityksen on tarkoitus aloittaa tuotanto vuosina 2022–2023.

Kun Boschin polttokennoihin pohjautuva voimansiirtolinja on vakiintunut raskaisiin ajoneuvoihin, kehityksen painopiste siirretään henkilöautoihin, jolloin polttokennoista tulee oleellinen osa tulevaisuuden voimansiirtoa.

Miksi polttokennot ja vety ovat ratkaisevia rakennuspalikoita tulevaisuuden liikkumiselle?

1) Ilmastoneutraalius

Polttokennossa vety (H2) reagoi ympäröivästä ilmasta saadun hapen (O2) kanssa. Reaktiosta vapautuva energia muunnetaan ajamisessa käytettäväksi sähköksi. Lämpö ja puhdas vesi (H2O) ovat reaktion sivutuotteet. Vety tuotetaan elektrolyysillä, jossa vesi hajotetaan vedyksi ja hapeksi sähkön avustuksella.

Polttokennoihin pohjautuvasta voimansiirrosta saadaan täysin hiilineutraali, kun siinä käytetään uudistuvilla energialähteillä tuotettua sähköä. Polttokennoilla on pienempi hiilijalanjälki kuin akkusähköllä toimivilla voimansiirtolinjoilla erityisesti raskaassa kalustossa, kun otetaan huomioon tuotannon, käytön ja hävittämisen aiheuttamat päästöt. Polttokennoajoneuvot tarvitsevat vetytankin lisäksi vain pienen akun puskurivarastoksi, mikä pienentää niiden tuotannon hiilijalanjälkeä huomattavasti.

“Polttokennon hyödyt korostuvat erityisesti silloin, kun akkusähköllä toimivat voimalinjat pärjäävät huonosti”, Boschin Powertrain Solutions -jaoksen johtaja, tohtori Uwe Gackstatter sanoo. ”Näin ollen polttokennojen ja akkujen välillä ei ole kilpailua vaan ne täydentävät toisiaan täydellisesti.”

2) Mahdolliset käyttökohteet

Vedyllä on korkea energiatiheys. Yksi kilogramma vetyä sisältää yhtä paljon energiaa kuin 3,3 litraa dieseliä. Henkilöauto tarvitsee 100 kilometrin matkaa varten vain noin kilon vetyä, 40 tonnin kuorma-auto tarvitsee noin seitsemän kiloa. Kuten diesel ja bensiini, vedyn tankkaamiseen tyhjästä täyteen vie vain muutaman minuutin ja matka voi jatkua.

”Polttokennot ovat paras valinta suurten kuormien päivittäiseen useiden kilometrien kuljettamiseen”, Gackstatter summaa.

Bosch on mukana EU-rahoitteisessa H2Haul-projektissa, jonka tavoite on valmistaa pieni polttokennotoiminen autokanta ja saada se liikenteeseen.

Liikkuvien ratkaisujen lisäksi Bosch kehittää kiinteäoksidipolttokennoteknologiaan (Solid-oxide fuel cell, SOFC) pohjautuvia polttokennopinoja kiinteisiin käyttökohteisiin. Yksi niiden suunniteltu käyttökohde ovat pienet, hajautetut voimalaitokset kaupunkeihin, datakeskuksiin ja sähköautojen latausasemiin.

Jotta Pariisin ilmastosopimuksen tavoitteisiin päästään, tulevaisuudessa vetyä täytyy hyödyntää henkilö- ja hyötyajoneuvojen lisäksi myös junissa, lentokoneissa ja laivoissa. Energia- ja terästeollisuus suunnittelee myös vedyn hyödyntämistä.

3) Tehokkuus

Yksi voimansiirtovaihtoehtojen ekologisuuden ja kannattavuuden määrittelevistä tekijöistä on niiden tehokkuus. Polttokennoajoneuvoissa se on noin neljänneksen suurempi kuin polttomoottoriajoneuvoissa. Jarrutusenergian talteen ottavat järjestelmät lisäävät tehokkuutta ja akkutoimiset ajoneuvot, jotka voivat varastoida sähköä suoraan ajoneuvoon ja käyttää sitä työntövoimana ovat vielä tehokkaampia.

Energiatuotanto ja sen tarve eivät kuitenkaan aina kohtaa, joten sekä tuuli- että aurinkosähkön ylijäämää jää käyttämättä koska sitä ei voida varastoida. Tässä kohdin vedyllä on valttikortti. Ylijäämäsähkö voidaan hyödyntää vedyn tuottamiseen, jolloin sen voi joustavasti joko varastoida tai käyttää.

4) Kustannukset

Vihreän vedyn kustannukset tulevat laskemaan huomattavasti, kun tuotantokapasiteetti nousee ja uusiutuvista lähteistä tuotetun sähkön hinta laskee. Yli 90 kansainvälisen yrityksen järjestö Hydrogen Council ennakoi monien vedyn käyttökohteiden kulujen tippuvan jopa puolella seuraavan kymmenen vuoden aikana, jolloin niistä tulee kilpailukykyisiä muiden teknologioiden kanssa. Bosch työskentelee tälläkin hetkellä Powercell-startupin kanssa polttokennojen ytimen, eli ns. pinon kehittämiseksi markkinakelpoiseksi ja tuotantoon siirrettäväksi. Tavoitteena on korkean suorituskyvyn ratkaisu, jota voidaan valmistaa pienin kustannuksin.

”Keskivälin aikajänteellä polttokennotoimisen ajoneuvon käyttäminen ei tule olemaan kalliimpaa kuin perinteisellä voimansiirrolla toimivan auton”, Gackstatter sanoo.

5) Infrastruktuuri

Nykyinen vetyasemien verkosto ei ole vielä täydellisen kattava, mutta noin 180 asemaa Euroopassa tarjoavat jo riittävän peiton osalle tärkeistä kuljetusreiteistä. Yritykset useissa maissa tekevät yhteistyötä puskeakseen verkoston laajentamista, usein valtioiden tuella. Myös Saksassa poliitikot ovat tunnistaneet vedyn tärkeän roolin talouden hiilettömäksi tekemisessä ja ovat sitoneet sen kansalliseen vetystrategiaan. Esimerkiksi H2 Mobility -yhteishanke rakentaa vuoden 2020 loppuun mennessä noin sata julkista vetytankkauspistettä Saksaan, ja EU-rahoitteinen H2Haul-projekti työstää rekkojen lisäksi suunniteltujen reittien latausasemia. Lisäksi Japanilla, Kiinalla ja Etelä-Korealla on kattavat tukiohjelmat.

6) Turvallisuus

Kaasumaisen vedyn käyttö ajoneuvoissa on yhtä turvallista kuin akkujen tai muidenkin polttoaineiden käyttö. Vetytankit eivät myöskään nosta räjähdysriskiä. Vety kyllä palaa yhdessä hapen kanssa, mutta tulee räjähdysherkäksi vain tietyn suhteen ylittävänä sekoituksena.

Vety on ilmaa noin 14 kertaa kevyempänä molekyylinä hyvin epävakaa. Jos esimerkiksi vetyä karkaa tankista, se nousee nopeammin ylös kuin se ehtii reagoida ympäröivän hapen kanssa. Tutkijoiden polttokennoautolla Yhdysvalloissa vuonna 2003 toteuttamassa palotestissä syntyi leimahdus, joka kuitenkin sammui hyvin nopeasti. Itse ajoneuvo säilyi suurilta osin vahingoittumattomana.

7) Ajoitus

Vedyn tuotanto on koeteltu ja teknisesti suoraviivainen prosessi. Se tarkoittaa, että tuotantoa voidaan lisätä nopeasti kysynnän kasvaessa. Lisäksi polttokennot ovat teknologialtaan saavuttaneet riittävän kypsyysasteen niiden kaupallistamiseksi laajempaan käyttöön. Hydrogen Councilin mukaan vetytalous voi muuttua kilpailukykyiseksi seuraavan kymmenen vuoden aikana edellyttäen, että siihen sijoitetaan riittävästi ja löytyy poliittista tahtoa.

”Vetytalouteen siirtymisen aika on nyt”, Gackstatter sanoo.

Lue lisää (englanniksi)