Vetypolttokennoteknologia on huipputeknologian ratkaisu puhtaamman ja kestävämmän energian tuottamiseksi liikenteessä. Tämä teknologia käyttää vetyä sähköntuotannon tueksi, ja sen ainoa sivutuote on vesi. Katsotaanpa tätä teknologiaa, sen etuja ja haittoja sekä sen sovelluksia autoteollisuudessa.
Mitä on vetypolttokennoteknologia?
Vetypolttokenno on elektrochemiallinen laite, joka yhdistää vedyn ja hapen tuottaakseen sähköä. Toisin kuin akku, joka varastoi energiaa, polttokenno tuottaa sähköä jatkuvasti niin kauan kuin se saa syötteekseen vetyä ja happea. Solussa tapahtuva keskeinen kemiallinen reaktio on:
2H₂ + O₂ → 2H₂O + sähköä + lämpöä
Tämä puhdas prosessi ei tuota kasvihuonekaasuja tai muita saasteita, mikä tekee vetypolttokennoista lupaavan vaihtoehdon paljon käytetylle sisäisen palamisen moottoriteknologialle ja perinteisille akuille.
Kuinka vetypolttokenno toimii
Vetypolttokenno toimii yhdistämällä vetyä ja happea elektrokemiallisessa reaktiossa, joka tuottaa sähköä, vettä ja lämpöä. Tässä prosessissa vety kulkee protoninvaihtokalvon (PEM) läpi, jossa se jakautuu protoneiksi ja elektroneiksi, tuottaen sähkötehoa.
Yleistetty prosessi on seuraavanlainen:
- Vetyhuolto: Paineistettu vetykaasu säilytetään tankissa auton sisällä.
- Elektrokemiallinen reaktio: Vety pääsee polttokennon anodille, jossa katalyytti jakaa vetyä molekyylit protoneiksi (H⁺) ja elektroneiksi (e⁻).
- Elektronien virtaus: Elektronit kulkevat ulkoista piirrettä pitkin, luoden sähkövirran auton sähkömoottorin käyttöön.
- Protonien virtaus: Protonit kulkevat protoninvaihtokalvon (PEM) läpi katodille.
- Yhdistyminen hapen kanssa: Katodilla ilma happea yhdistyy protoneihin ja elektroneihin muodostaen vettä. Vesi poistuu ainoana sivutuotteena.
Vetypolttokennoteknologian edut
Vetypolttokennoteknologia tarjoaa puhtaan ja tehokkaan energialähteen. Tämä teknologia tuo mukanaan useita etuja:
- Ei päästöjä: Tämä teknologia tuottaa vain vesihöyryä, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen.
- Korkea hyötysuhde: Polttokennot voivat saavuttaa jopa 60 % hyötysuhteen, kun taas sisäisen palamisen moottorit saavuttavat vain 20–30 %.
- Nopea tankkaus: Vetyajoneuvojen tankkaus kestää 3–5 minuuttia, mikä on huomattavasti nopeampaa kuin sähkökäyttöisten ajoneuvojen akkujen lataus.
- Pitkä matkamatka: Esimerkiksi Toyota Mirai voi matkustaa yli 650 km täydellä tankilla, mikä kilpailee bensiinikäyttöisten autojen kanssa.
- Laajennettavuus: Vetypolttokennot voivat tuottaa energiaa kaikille ajoneuvotyypeille, kuten henkilöautoille, busseille, kuorma-autoille ja jopa junille.
Vetypolttokennojen haitat
Vetypolttokennoilla on haasteita, kuten korkeat tuotantokustannukset, tarvittavan infrastrukturn vahvuus ja vedyn tehokas ja turvallinen varastointi. Näitä ovat teknologian haitat:
- Korkeat kustannukset: Polttokennot ja vetyinfrastruktuuri ovat edelleen kalliita. Esimerkiksi vihreän vedyn tuottaminen elektrolyysin avulla maksaa 3–6 €/kg, kun taas harmaan vedyn (maakaasusta) hinta on halvempi, mutta se tuottaa CO₂:ta.
- Rajoitettu infrastruktuuri: Vuoteen 2025 mennessä maailmassa on noin 1 000 vetyä tankkausasemaa, joista suurin osa sijaitsee Japanissa, Saksassa ja Kaliforniassa.
- Varastointi- ja kuljetushaasteet: Vety on erittäin helposti syttyvä, ja sen säilyttämiseen tarvitaan erikoistankkeja, joissa paine on 700 baaria.
- Energiataloudelliset häviöt: Vedyn tuottaminen, puristaminen ja kuljetus aiheuttavat tehokkuushäviöitä, mikä tekee siitä vähemmän energiatehokasta kuin suora akkulataus.
- Riippuvuus harvinaisista materiaaleista: Platina, kallis metalli, toimii katalyyttinä PEM-polttoainekennoissa ja lisää tuotantokustannuksia.
Vetypolttokennojärjestelmän keskeiset osat autoissa
Autoissa vetypolttokennojärjestelmä koostuu polttokennojen pinosta, johon kuuluu anodi, katodi ja protoninvaihtokalvo, sekä vedyn säilytystankit, ilmanotto happi-tarpeisiin ja erilaisia komponentteja, kuten kompressoreita ja jäähdytysjärjestelmiä kaasujen virtauksen hallitsemiseksi ja optimaalisten käyttöolosuhteiden ylläpitämiseksi. Nämä ovat pääkomponentit:
- Polttokennopino: Sisältää useita kennoja, jotka tuottavat sähköä vedyn ja hapen reaktiolla.
- Vedyn säilytystankki: Säilyttää tiivistettyä vetykaasua turvallisesti korkeassa paineessa (jopa 700 baaria).
- Sähkömoottori: Muuntaa polttokennoista saatavan sähköenergian mekaaniseksi energiaksi, joka pyörittää pyöriä.
- Akkua/ultrakondensaattori: Varastoi energiaa huipputehotarvikkeita ja regeneratiivista jarrutusta varten.
- Ilmaotto ja kompressori: Tarjoaa happea polttokennoon.
- Jäähdytysjärjestelmä: Ylläpitää polttokennojen pinon lämpötilan optimaalisen suorituskyvyn takaamiseksi.
Soveltaminen ajoneuvoissa
Vetypolttokennoja on integroitu erilaisiin ajoneuvotyyppeihin:
- Henkilöautot: Esimerkkejä ovat Toyota Mirai, Hyundai Nexo ja Honda Clarity. Nämä autot tarjoavat 500–700 km matkamatkan tankkausta kohden.
- Joukkoliikenne: Kaupungit, kuten Lontoo ja Soul, käyttävät vedyllä toimivia busseja kaupunkisaasteiden vähentämiseksi.
- Raskaat ajoneuvot: Kuorma-autot, kuten Nikola Tre ja Hyundai Xcient, keskittyvät pitkän matkan kuljetuksiin vähäisillä päästöillä.
- Junat: Alstom Coradia iLint toimii Saksassa, tarjoten päästöttömän rautatiekuljetuksen.
Vetyllä toimivien ajoneuvojen alkuperäiset kustannukset ovat korkeita. Esimerkiksi Toyota Mirain hinta alkaa noin 51 000 USD, mikä on kalliimpaa kuin perinteiset tai akkukäyttöiset autot.
Analyysi: Vetypolttokennojen vs. akku-EV:iden vertailu
| Ominaisuus | Vetypolttokenno | Akkukäyttöinen EV |
|---|---|---|
| Päästöt | Nolla (vesihöyry) | Nolla |
| Tankkausaika | 3–5 minuuttia | 30 minuuttia useisiin tunteihin |
| Matkamatka | 500–700 km | 300–500 km |
| Hyötysuhde | 30–60 % (mukaan lukien häviöt) | 70–90 % (suora lataus) |
| Infrastruktuuri | Rajoitettu | Nopeasti kasvava |
| Ajoneuvon hinta | Korkea | Laskee tasaisesti |
Vetykustannusten analyysi
Tuotantokustannukset
- Harmaa vety (maakaasusta): 1,50–2,50 €/kg, tuottaa CO₂:ta.
- Sininen vety (maakaasu hiilidioksidipäästöjen talteenotolla): 2,50–4 €/kg.
- Vihreä vety (uusiutuvasta energiasta): 3–6 €/kg mutta ei tuota päästöjä.
Tankkauskustannukset
Täysi tankki (5 kg) Toyota Miraille maksaa Euroopassa noin 50–70 €, mahdollistaen matkamatkan 650 km. Tämä tarkoittaa, että vetypolttoaineen kustannukset ovat noin 0,10 € per km, mikä on varsin kilpailukykyistä bensiinin tai dieselin kanssa.
Vetypolttokennoteknologia saa yhä enemmän vauhtia, ja valtion kannustukset ja teollisuuden investoinnit tukevat kehitystä. Euroopan unioni pyrkii asentamaan 6 GW elektrolysaattorin kapasiteettia vuoteen 2025 mennessä ja 40 GW vuoteen 2030 mennessä. Kuitenkin mittakaavaetujen saavuttaminen ja tankkausinfrastruktuurin kehittäminen ovat keskeisiä laajamittaiselle käyttöönotolle.
