Att cykla med vätgas

Jag läste just att gasföretaget Linde tagit fram en vätgasdriven elcykel som kan klara 10 mil och kostar 70 000 kronor. Det låter som ett kul projekt, men visar kanske mest hur effektiva cyklar är och hur svårt det är att få bränslecellstekniken att fungera i verkligheten.

För det är ju faktiskt inte särskilt svårt att tillverka en elcykel med tio mils räckvidd. Åtminstone teoretiskt bör det räcka med 60 Wh per mil, även om de flesta av oss nog låter lättjan ta över och ser till att elmotorn arbetar maximalt i uppförsbackarna.

De flesta kommersiella elcyklar har batterier mellan 300 och 400 Wh och räckvidden brukar anges till någonstans mellan två och sex mil. Ett litiumjonbatteri med en kapacitet på 600 Wh bör alltså kunna räcka tio mil och behöver inte väga mer än knappt tre kilo.

34 gram vätgas
Uppenbarligen har Linde räknat på ungefär samma sätt. Deras vätgastank rymmer 34 gram vätgas, vilket motsvarar ca 1,1 kWh vid 100 procents verkningsgrad. Om vi räknar med en lite drygt femtioprocentig verkningsgrad för den lilla bränslecellen har vi alltså tillgång till ca 600 Wh på en tankning. Alltså just 60 Wh per mil. För att jämna ut effektbehovet till elmotorn (det är ju i grunden en vanlig elcykel) finns ett litiumjonbatteri med en kapacitet på 60 Wh.

Enligt Linde väger hela drivpaketet 3,7 kg. Det gäller gissningsvis bara vätgastank och bränslecell, så totalt sett kommer man väl ner i nästan samma vikt som en elcykel byggd med samma material och med samma kapacitet. Fast det blir bra mycket dyrare förstås.

Kräver högt tryck
Och varför väljer man då att ha en så löjligt liten tank, med bara 34 gram vätgas?

Ja, här ser vi vätgasteknikens förbannelse när vätgas skall användas som drivmedel. Energiinnehållet är visserligen högt i förhållande till massan (33 kWh per kilo), men vansinnigt lågt per liter.

Ett kilogram vätgas innehåller tre gånger mer energi än ett kilogram dieselolja. Det går med andra ord åt tre kilogram dieselolja för att ersätta ett kilogram vätgas. Problemet är bara att tre kilogram dieselolja har en volym på ungefär 3,5 liter, medan ett kilogram vätgas har en volym på hela 11 kubikmeter, alltså 11 000 liter, vid normaltryck. Vätgasens extremt låga densitet är fantastiskt bra om man vill tillverka zeppelinare och luftballonger, men ytterligt tråkig om man vill lagra energi. Vid normaltryck skulle energimängden i en normal personbils tank (50 l) kräva en volym på ca 160 kubikmeter och det skulle utan tvekan se lite knepigt ut (och ge ett väldigt högt luftmotstånd).

Därför får man antingen lagra väte i metallhydrider, vilket är tungt och ineffektivt, eller höja trycket. Linde använder i sin konstruktion ett tryck på 340 bar, vilket innebär att ett kilogram vätgas får en volym på 70 liter. Det kräver förstås en (tung) gastub som klarar ett så extremt tryck.

Om man vill ha ner volymen maximalt är det ”bara” att kyla ner vätgasen till -253 °C. Den går då över i vätskeform. Ett kilogram flytande väte ryms i en tank på 14 liter.

Om vi alltså översätter vår 50 l ”normaltank” med dieselolja till vätgas och flytande väte hamnar vi på en kubikmeter, respektive 200 liter. Kombinationen bränslecell, batteri och elmotor har en högre verkningsgrad än dieselmotorn, så det kanske räcker med 600 liter, respektive 120 liter, för att få samma räckvidd.

Men det är förstås en otrolig skillnad i vikt och kostnad mellan en femtioliters dieseltank och en sexhundraliters extrem högtryckstank. För att inte tala om ett system för att hantera 120 liter flytande väte.

Elcyklar och bilar
Vad kan man då dra för slutsatser av det här resonemanget? Ja, till att börja med är det lätt att inse finessen med elcyklar. Cykeln är energieffektiv och används sällan för sträckor över ett par mil (även om jag faktiskt har sträckkört mer än 30 mil en gång i tiden). Det räcker därför utmärkt med ett batteri på ett eller två kilo. Batterikostnaden hamnar mellan två och fyra tusen kronor.

Samma sak gäller mopeder och lätta motorcyklar. Det räcker med några få mils räckvidd och ett batteri på fem till tio kilo (upp till 2,5 kWh). Batterikostnaden drar iväg en del, men bör ändå kunna stanna mellan 3 000 och 6 000 kronor. Inte heller här är bränsleceller ett rimligt alternativ.

Också för bussar i stadstrafik kan batteridrift fungera ganska bra. Det går att ladda mellan varje ”vända” och man kommer ganska långt med ett batteri på uppemot 100 kWh. Batteriet väger visserligen en bra bit över ett halvt ton och kostar mer än en kvarts miljon, men i sammanhanget spelar det mindre roll. En vanlig stadsbuss kostar ju dryga tre miljoner. Bränsleceller och vätgas skulle kunna vara ett alternativ, men de tester som SL gjorde för ett par år sedan visade på imponerande höga kostnader.

De stora problemen kommer när man vill elektrifiera långdistanstrafiken, vare sig det gäller personbilar, långtradare eller långfärdsbussar. Där är det fortfarande väldigt svårt att få varken rena elfordon eller bränslecellsfordon att konkurrera med traditionell teknik. För att få en rimlig räckvidd krävs ett orimligt tungt batteripaket eller en bisarrt stor vätgastank. Vätgashybriden har dessutom svårt att konkurrera med dieselbilen när det gäller energieffektivitet.

Effektiv dieselmotor
För på långresor är ju faktiskt dieselmotorn förvånansvärt effektiv. Det beror inte minst på att transmissionen, alltså framför allt den mångstegade växellådan, har en så hög verkningsgrad. Förlusterna från motor till drivhjul blir små, bara ett par procent.

Ofta talar man om elmotorns fördelar när det gäller arbetsområde, men det handlar faktiskt mer om komfort och prestanda än om effektivitet. Elmotorn är naturligtvis mycket mer effektiv än dieselmotorn (om än väldigt långt ifrån 100 procent), men man sparar knappast något på den förenklade transmissionen.

Däremot finns det flera energitjuvar i stegen före elmotorn. Laddningen av batterierna ger förluster och steget från batteri till elmotor ger förluster. Seriehybriden, med en dieselmotor (eller bensinmotor) som driver en generator, som i sin tur laddar batterier, som i sin tur driver en elmotor, ger totalt sett alldeles för låg verkningsgrad och används därför knappast i praktiken.

Och här har vi ett av problem med vätgashybriden. Det är en seriehybrid, där bränslecellens verkningsgrad (cirka 70 procent) multipliceras med förlusterna i batterierna och förlusterna i motorn. Även om man bortser från (de stora) förlusterna vid tillverkning och distribution av vätgas blir det inte särskilt mycket effektivare än en konventionell bil eller lastbil vid långresor. Bara väldigt mycket dyrare, även om man kan använda förlustvärmen från bränslecellen till att värma kupén (på samma sätt som man använder förlustvärmen från dieselmotorn).

Vete fasen om det inte smäller högre att blanda vätgasen med syrgas i stället. Knallgas ger en magnifik effekt och resultatet efter smällen blir ju bara vatten. Men akta ögon och öron.

Comments are closed.