J. AHOLA, O. BERGIUS, M. FLINCK, R. PASONEN POLTTOKENNOAUTOJEN NYKYTILA. Harjoitustyö SMG-4050

Transkriptio

1 J. AHOLA, O. BERGIUS, M. FLINCK, R. PASONEN POLTTOKENNOAUTOJEN NYKYTILA Harjoitustyö SMG-4050

2 II SISÄLLYS 1. Johdanto Polttokennoautojen hyödyt ja haitat Hyödyt Haitat Nykyiset polttokennoautot Tämän päivän polttokennoautot Polttokennoautojen kehitystyö Poltokennoautojen toiminta Polttokennoauton laitteisto Eri kennotyyppien soveltuvuus ajoneuvokäyttöön Polttoaineen jakelu ja varastointi Polttoaineen jakelu ja varastointi Varastoinnin mahdollisuudet Tilanne Yhteenveto...16 Lähteet...17

3 3 1. JOHDANTO Kasvihuoneilmiön lisääntyessä, hiilidioksidipäästöjen kasvaessa ja öljyvarojen vähentyessä, on etsittävä taloudellisempaa ja ympäristöystävällistä moottoritekniikkaa. Liikenteen hiilidioksidipäästöt kattavat tällä hetkellä noin 24% ilmaan pääsevästä hiilidioksidista, ja ovat nopeimmin kasvava päästöjen aiheuttaja.[1.1] Polttokennotekniikka mahdollistaa nykyisten polttoaineiden tehokkaamman hyödyntämisen, sekä täysin hiilettömän energianketjun käytettäessä vetyä polttokennon polttoaineena. Hiiletön energiaketju vaatii tietysti että myös vety on valmistettu ilman hiilidioksidi päästöjä. Työn tarkoitus on selvittää lyhyesti polttokennoautojen nykytilaa tekniikan, ympäristöystävällisyyden, hinnan ja tarvittavan infrastruktuurin suhteen. Pääpaino on vetyä hyödyntävissä polttokennoautoissa sekä vetytekniikassa.

4 4 2. POLTTOKENNOAUTOJEN HYÖDYT JA HAITAT 2.1. Hyödyt Polttokennoautojen hyötyjä tarkasteltaessa suurin huomio kiinnittyy autoilusta syntyviin päästöihin. Tavallisessa polttomoottoriautossa polttoaineen palamisen tuotteena syntyy hiilidioksidin lisäksi häkää, palamattomia hiilivetyjä sekä typen oksideja. Polttokennossa puhdasta vetyä ja happea käytettäessä polttomoottorissa syntyvistä hiilivedyistä, typen oksideista ja häästä päästään kokonaan eroon koska reaktion tuotteena syntyy ainoastaan vettä.[2.2] Hiukkaspäästöt toki riippuvan polttoaineen puhtaudesta, mutta joka tapauksessa päästöt ovat vähäisiä polttomoottoriin verrattuna Polttokennoautojen etuna on myös tekniikka, jolla auton rullatessa tai jarrutettaessa saadaan auton liike-energiaa muutettua takaisin sähköksi ja varastoitua se auton akkuihin.[2.1] Polttokennot mahdollistavat hyvän hyötysuhteen myös osakuormilla toisin kuin otto-ja dieselmoottorit. Melu on myös yksi autoilun synnyttämä saaste. Polttomoottorissa polttoaine muutetaan polttamalla moottorin liike-energiaksi joka edelleen siirtää liikkeen renkaisiin. Moottorissa itsessään niin kuin moottorin ja renkaiden välillä on paljon liikkuvia osia jotka aiheuttavat melua. Polttokennossa polttoaine muutetaan suoraan sähköksi josta melua ei synny lainkaan. Tuotettu sähkö siirretään renkaita pyörittäviin sähkömoottoreihin, jotka nekin toimivat lähes äänettömästi. Näin polttokennoautosta saadaan myös ylimääräinen kitka pois jolloin polttokennolla päästään polttomoottoria parempaan hyötysuhteeseen. Suurimmaksi polttokennoauton melusaasteeksi jääkin vain renkaista aiheutuva melu. Polttokennon rakenne on hyvin yksinkertainen, jolloin se on polttomoottoria luotettavampi sekä huoltovapaampi. Suurin hyöty päivittäisliikenteeseen saavutettaisiin taksien sekä muun julkisen liikenteen siirtymisellä polttokennoautoihin. Taksit ajavat paljon keskimääräistä enemmän ja pienellä alueella. Ne joutuvat myös usein seisomaan ruuhkassa, jolloin niiden keskikulutus on keskivertoautoilijaa suurempi. Toinen merkittävä hyöty saataisiin korvaamalla raskas liikenne polttokennomoottoreilla. Raskaalla liikenteellä kuten kuorma- ja roska-autoilla on suuret ominaiskulutukset ja rekoille kertyy paljon kilometrejä.[2.1]

5 Haitat Polttokennoautoilla on vielä kuitenkin paljon ongelmia ennen kuin niistä saadaan joka perheen autoja. Koska polttokennoteknologia on vielä kehitysvaiheessa, ei polttokennoautojakaan ole saatu vielä massatuotantoon, jolloin yksittäisen auton hinta on tavallisen kuluttajan kukkarolle usein liikaa. Polttokennoautojen toimintamatkan lyhyys on myös ollut ongelmana, mutta siinäkin ollaan pikkuhiljaa saavuttamassa polttomoottoreita. Polttokennojen elinikä on vielä suhteellisen pieni, joka puolestaan tuo lisää huoltokustannuksia. Polttokennoautoille ei ole vielä saatavilla paljoakaan tankkauspisteitä, mikä osaltaan rajoittaa autojen yleistymistä. Vedyn tuotanto on vielä hyvin kallista ja se vie paljon energiaa. Polttokennon toiminta ei itsessään aiheuta päästöjä puhdasta vetyä käytettäessä, mutta vedyn tuotannosta tulee väistämättä jonkin verran hiilidioksidipäästöjä. Polttokennoauton hyvän hyötysuhteen ansiosta koko prosessin hiilidioksidipäästöt ovat kuitenkin huomattavasti polttomoottorin päästöjä pienemmät.[2.2]

6 6 3. NYKYISET POLTTOKENNOAUTOT 3.1. Tämän päivän polttokennoautot Polttokennoautot eivät ole enää tulevaisuutta. Monessa kaupungissa ympäri maailmaa on ollut koekäytössä polttokennosta energiansa saavia busseja ja autoja jo usean vuoden ajan. Autonvalmistajien uusimmat polttokennoautojen prototyypit alkavat olla suorituskyvyltään riittävän tehokkaita tavallisten autoilijoiden käyttöön. Esimerkiksi Hyundai I-blue, jonka huippunopeus on 165 km/h sekä ajomatka yhdellä tankkauksella jopa 600 km[3.1]. Meitä suomalaisia ajatellen myös ongelmat kylmäkäynnistyksessä on onnistuttu ratkaisemaan, sillä Hondan FCX Concept auton alin käynnistyslämpötila on -30 astetta[3.2]. Tällä hetkellä polttokennoautojen suurin haaste on saada niiden hinta kilpailukykyiseksi. Jotta tähän päästäisiin, on pystyttävä ratkaisemaan useita teknisiä ongelmia, joista yhtenä keskeisimmistä niiden eliniän pidentäminen. Autonvalmistajat antavat hyvin vähän tietoa polttokennojensa eliniästä, mutta jotain arvioita tämän hetkisten polttokennojen eliniästä voidaan kuitenkin tehdä General Motorsin valmistaman Chevy Equinox auton polttokennolle arvioidusta km ajomatkasta[3.3]. Automalli/esittely vuosi huippunopeus polttokennon tyyppi/ (km/h)/kiihtyvyys 0- teho (kw) 100 km/h (s)/ajomatka yhdellä tankkauksella (km) Hyundai I-blue/2007 [3.1] akkutyyppi/teho (kw) vedyn varastointi tapa/varastoitavan vedyn määrä (kg) 165/-/600 [3.1] PEM-kenno/100 [3.1] - puristettu kaasu 700bar/- [3.1] Ford Flexible Series Edge/2007 [3.4] 135/-/360 [3.4] - Lithium-ion akku/- [3.4] puristettu kaasu 350bar/4,5 [3.4] GM Chevy Equinox/2006 [3.5] Honda FCX Concept/2005 [3.6] 160/12/320 [3.5] PEM-kenno/93 [3.5] NiMH akku/35 (regeneratiivinen jarrutus) [3.5] puristettu kaasu 700bar/4,2 [3.5] 160/-/430 [3.2] PEM-kenno/100 [3.2] Lithium-ion akku/- [3.2] puristettu kaasu 350bar/5 [3.6] GM Sequel Concept/2005 [3.5] 145/10/480 [3.5] PEM-kenno/73 [3.5] Lithium-ion akku/65 [3.5] puristettu kaasu 700bar/8 [3.5] Mercedes F600 Hygenius/2005 [3.7] 174/-/400 [3.7] PEM-kenno/80 (max 90) [3.7] Lithium-ion akku/30 (max 55) [3.7] Puristettu kaasu 700bar/- [3.7] Taulukko 2. Joidenkin kehittyneimpien polttokennoautojen ominaisuuksia.

7 7 Polttokennobusseja kokeiltiin yhdeksässä eri Euroopan kaupungissa vuonna 2003 aloitetussa kaksivuotisessa CUTE ( Clean Urban Transport for Europe ) nimisessä Euroopan laajuisessa yhteistyö projektissa. CUTE-projektin kanssa samaan aikaan käynnistyi vastaavanlaiset joskin huomattavasti pienemmän mittakaavan projektit myös Australiassa ja Japanissa. Koska bussien toiminnassa ei ollut ongelmia ensimmäisen kahden vuoden aikana jatkettiin projektia vuodella. Tämän jatko projektin nimeksi tuli HyFleet-CUTE. Projektista saadut tulokset olivat todella lupaavia, sillä bussien todellinen toiminta-aika oli huomattavasti arvioitua pidempi. Projekti osoitti selvästi ettei kyse ole enää siitä toimiiko kyseinen tekniikka vaan siitä, että milloin se on kilpailukykyistä[3.8]. Käytössä olleet bussit olivat 27 kappaletta DaimlerChryslerin valmistamia Mercedes-Benz Citaro polttokennobusseja: toiminta säde 200 km, kapasiteetti 70 henkeä ja huippunopeus 80 km/h. Koe osoitti, että ihmiset suhtautuvat hyvin polttokennobusseihin itse asiassa kaduilla hurrattiin kun polttokennobussit ajoivat ohitse. HyFleet: CUTE projektille on tulossa jatkoa muutaman vuoden kuluessa [3.9] Polttokennoautojen kehitystyö Lähes kaikilta suurimmilta autonvalmistajilta löytyy projekteja polttokennoautojen kehittämiseksi. Viime vuosituhannen loppupuolella alkanut kehitystyö on 2000-luvun puolella edistynyt varsin nopeasti. Tällä hetkellä on käynnissä tiukka kilpailu siitä, kuka pystyy ensimmäisenä aloittamaan polttokennoautojen kaupallisen valmistamisen. Näillä näkymin se voisi hyvinkin olla Honda, joka on ilmoittanut tuovansa yleisille markkinoille rajoitetun erän FCX Concept autoon perustuvia polttokennoautoja vuonna 2008[3.2]. DaimlerChrysler aloitti polttokennoautojen kehitystyön 90-luvun alkupuolella ja oli näin ensimmäisenä liikkeellä. Tällä hetkellä se on ainoa autonvalmistaja, jonka polttokennoauto prototyyppejä on ollut laajamittaisessa koekäytössä ympäri maailmaa. Vuonna 2003 alkaneessa koekäytössä on mukana: 60 Mercedes Benzin A-sarjaan perustuvaa polttokennoautoa, 36 Mercedes Benz Citaro polttokennobussia sekä joitakin Dodge Sprinter polttokennopakettiautoja. Jokaisella A-sarjan polttokennoautolla on tarkoitus ajaa km[3.10]. Projekti päättyy tänä vuonna ja DaimlerChryslerilla onkin suunnitelmissa aloittaa lähitulevaisuudessa uusi vielä laajempi kenttäkoe. DaimlerChryslerin pitkäaikaisissa suunnitelmissa polttokennoautot ovat selvästi esillä ja yritys uskookin, että vuoteen 2015 mennessä polttokennoautoista saadaan kilpailukykyisiä ja niiden teollinen valmistaminen voidaan aloittaa[3.11,s23]. Myös GM:n tulevaisuuden suunnitelmissa polttokennoautot ovat selvästi esillä. GM:n polttokennoautojen kehitystyö käynnistyi 90-luvun puolivälissä ja tähän mennessä siihen on käytetty noin miljardi dollaria. GM on asettanut tavoitteekseen kehittää kaupallinen polttokennoauto, joka tulisi markkinoille vuonna 2010[3.12].

8 GM aloittaa oman laajamittaisen polttokennoautojen kenttäkokeensa vuoden 2007 loppupuolella, jolloin se antaa valitsemilleen 100 tavalliselle kuluttajalle käyttöönsä Chevy Equinox polttokenno kaupunkimaasturin kahdeksi vuodeksi. Demonstraation tarkoituksena on paitsi saada paljon tutkimustietoa autojen soveltuvuudesta normaali käyttöön myös selvittää ihmisten asennetta ja mielenkiintoa uutta tekniikkaa kohtaan. Tarkoituksena on myös poistaa ihmisten ennakkoluuloja polttokennoautojen turvallisuudesta[3.3]. Yksityisautoilijoiden lisäksi myös yhdysvaltojen armeijalle on annettu koekäyttöön kyseinen ajoneuvo. Armeija käytössä tekniikalle tuntuisikin olevan käyttöä juuri sen hiljaisuuden takia[3.13]. Näiden kolmen lisäksi siis myös muilla autonvalmistajilla tehdään kehitystyötä kyseisen tekniikan eteen. Ehkä suurimman yllätyksen teki Hyundai saaden muiden autonvalmistajien päät kääntymään kun se esitteli I-blue polttokennoautonsa syyskuussa 2007 pidetyssä Frankfurthin autonäyttelyssä. Erikoista tässä oli se, että I-blue ensimmäinen Hyundain kokonaan itse valmistama polttokennoauto[3.14]. 8

9 9 4. POLTOKENNOAUTOJEN TOIMINTA 4.1. Polttokennoauton laitteisto Polttokennoauto on sähköauto, joka tuottaa sähkön polttokennossa vedystä tai muusta polttoaineesta kennosta riippuen. Polttokennot mahdollistavat siis sähköauton ajoakun korvaamisen vedyllä. Polttokennossa vedyn kemiallista energiaa muutetaan sähköenergiaksi ja lämmöksi. Peruskomponentteina polttokennossa ovat anodi, katodi, elektrolyytti ja katalyytti. Kun anodille syötetään vetyä ja katodille happea, alkavat ionit liikkumaan elektrolyytin kautta anodin ja katodin välillä. Anodin ja katodin välille syntyy sähkövirta ulkoisen johtimen kautta. Syntynyttä sähköenergiaa käytetään sähkömoottorin ja ajoneuvon sähkölaitteiden käyttämiseen. Vedyn ja hapen reaktiossa syntyy virran lisäksi lämpöä ja vettä. Katalyytin tarkoituksena on nopeuttaa reaktiota. Vedyn ja hapen välillä tapahtuva kokonaisreaktio [4.1] on 2 + O > H O. H Kuva 1 esittää polttokennon toimintaperiaatetta. Kuva 1. polttokennon toimintaperiaate.

10 2. Vetymoottorityypit 10 Polttokennojen sähköenergian teoreettinen maksimihyötysuhde on nykyään noin 60 80% operaatiolämpötilasta(kennon sisälämpötilasta) riippuen[4.2,s54]. Todelliseen kennon sähköenergian hyötysuhteeseen vaikuttavat tekijät operaatiolämpötilan lisäksi ovat operaatiopaine, reakanttien puhtaus ja ympäristön lämpötila. Myös ilmankosteus vaikuttaa, mikäli katodille syötetään puhtaan hapen sijasta ilmaa. Käytännön sähköenergian hyötysuhde ajoneuvosovelluksissa on tällä hetkellä noin 50%[4.3]. Kennosta vapautuvaa lämpöenergiaa voidaan hyödyntää ajoneuvon muihin toimintoihin, kuten lämmityslaitteeseen. Lämpöenergian hyödyntämisellä voidaan nostaa ajoneuvon kokonaishyötysuhdetta. Polttokennon hyötysuhde pysyy hyvänä, vaikka kennoa käytetään osakuormituksella. Polttokennon lisäksi ajolaitteisiin kuuluu ainakin: sähkömoottori, akku, polttoainesäiliö, järjestelmän ohjauselektroniikka ja mahdolliset toimintaolosuhteiden ylläpitoon vaaditut laitteet. Lisäksi on järkevää lisätä jarrutusenergian talteen ottaminen esim. käyttämällä moottoria generaattorina jarrutuksen aikana. Jotta sähkömoottoreilla jarruttaminen onnistuu turvallisesti, on jarrutustehon mentävä tietysti joka pyörälle. Looginen ratkaisu on laittaa kaikille pyörille oma sähkömoottori/generaattori, jolloin myös ajonvakautusjärjestelmän käyttäminen onnistuu. Jarrutuksesta saatu energia varastoidaan akkuun, mutta myös ns. superkondensaattoreita käytetään. Nykyisin tosin ollaan siirtymässä superkondensaattoreista akkuihin, niiden kehityttyä kestämään nopeita lataussyklejä. Neljää moottoria käyttäessä autosta tulee tietysti myös nelivetoinen mikä sopii huonolle kelille ja maastoon, mutta maantieajoa varten ohjauselektroniikka voi kytkeä auton kaksivetoiseksi ja mahd. vähentää energian kulutusta. Jotkin turvalaitteet on hyvä erottaa sähköjärjestelmästä. Esim. jarruttavien sähkömoottoreiden vikaantuessa tulee auto saada pysähtymään. Käytännössä tämä voidaan ratkaista lisäämällä autoon normaaliautoista tutut levyjarrut, jotka tulee pystyä kytkeytymään hätätilanteessa. Polttoaineena yleensä käytetään puhdasta vetyä, mutta joissakin suuremmissa autoissa on myös reformointilaitteisto jossa vety tuotetaan esim. maakaasusta. Korkealämpötilakennoilla voidaan myös käyttää esim. dieseliä, bensiini tai maakaasua ilman reformointia. On huomattava että auton polttokennon teho ei tarvitse olla yhtä suuri kuin sähkömoottoreiden ottama teho. Tehoa voidaan tarvittaessa ottaa akustosta enemmän kuin polttokenno sinne sitä tuottaa, autollahan ajetaan käytännössä aina osakuormilla. Siirtymävaiheen tekniikkana voisi siis olla auto, jota voidaan tankata sekä sähköllä että vedyllä. 4.2 Eri kennotyyppien soveltuvuus ajoneuvokäyttöön Polttokennotyypit luokitellaan elektrolyytin perusteella. Polttokennotyypit ovat: kiinteä polymeerikenno PEMFC, alkalipolttokenno AFC, fosforihappokenno PAFC, sulakarbonaattikenno MCFC ja kiinteäoksidikenno SOFC. Polttokennon sopivuus kuhunkin ajoneuvoon on melko lailla kennokohtaista ja kennojen kehittyessä niiden sovelluskirjon laajentuessa. Yhteenveto polttokennotyypeistä on taulukossa 1.

11 11 Tyyppi Toimintalämpötila [4.4] Tyypillinen järjestelmän teho [4.3] Edut Haitat ilman käyttö puhtaan hapen sijasta on mahdollista. kiinteä elektrolyytti pidentää toiminta-aikaa. toimii kaikissa asennoissa. herkkä vedyn epäpuhtauksille [4.5]. haasteellinen vesitasapainon Hallinta [4.2]. PEMFC o C KW pieni rakenne katalyytti ei aiheuta suuria kustannuksia [4.2,s31]. nopea käynnistys [4.4]. AFC o C KW platinaa ei tarvitse käyttää katalyyttinä [4.2,s44]. sähkön hyötysuhde jopa 60 % [4.5]. korkea järjestelmän hinta. luotettavuus? käytön vaikeus. katodille syötetty ilma ei saa sisältää hiilidioksidia(nestemäisellä elektrolyytillä).[4.2] sähkön hyötysuhde 32 37% [4.5] PAFC o C 50Kw xx MW sietää paremmin vedyn epäpuhtauksia [4.4]. ilman käyttö mahdollista puhtaan hapen sijasta sietää polttoaineen epäpuhtauksia[4.5]. voidaan käyttää useita katalyyttejä[4.5]. - sähkön hyötysuhde % jalometalli katalyytin käyttö on välttämätöntä. fosforihapon jäätymispiste on 42 o C [4.2.s55]. järjestelmien suuri massa ja koko [4.5]. korkea lämpötila lisää korroosiota. hidas käynnistää [4.5]. polttoaineen ei tarvitse olla vetyä MCFC o C 50Kw xx MW ei tarvita katalyyttejä [4.2,s6]. yksinkertainen rakenne. korkea lämpötila lisää korroosiota. mahdollistaa suurempien virtojen käytön [4.2,s61]. sietää polttoaineen epäpuhtauksia [4.5]. hidas käynnistää [4.5]. keraamisen elektrolyytin hauraus [4.5]. SOFC o C Taulukko 1. Polttokennotyypit. 0.5Kw - 10Mw polttoaineen ei tarvitse olla vetyä

12 Kiinteä polymeerikenno PEMFC sopii hyvin monenlaiseen ajoneuvokäyttöön. Alhaisen toimintalämpötilan vuoksi ajoneuvon lämpöeristystarve on vähäinen ja komponenttien eroosio pientä. Koska ilmanpuhdistuslaitteistoa tai erillistä happisäiliötä ei välttämättä tarvita, ajoneuvon teho-massa-suhde paranee. Kiinteä katalyytti mahdollistaa toimimisen kaikissa asennoissa. Kosteustasapainon säilytysjärjestelmä vaatii antureita, ohjauselektroniikkaa ja kostuttimia, mikä lisää järjestelmän painoa. Hankalasta kosteustasapainohallinnasta huolimatta PEM-kennot ovat keveitä ja pitkälle kehitettyjä muiden polttokennojärjestelmien joukossa. Alkalipolttokennon AFC:n sovelluskohteet on melko lailla samoja kuin PEMFC:llä. Vaikka AFC:n hyötysuhde voi käytännössä olla jopa 60%, monet sen ominaisuuksista eivät yllä PEMFC:n tasolle. Alkalikennoja kehittäviä yrityksiä on merkittävästi vähemmän [4.2,s44], mikä hidastaa AFC:n kehitystä. Fosforihappokennon PAFC:n järjestelmän massa on suuri verrattuna alkali- tai kiinteäpolymeerikennoihin. PAFC käyttöä ajoneuvoissa rajoittaa elektrolyytin korkea jäätymispiste. PAFC soveltuu vain suuriin ajoneuvoihin ja sietää hyvin polttoaineen epäpuhtauksia. PAFC-järjestelmiä on rakennettu mm. linja-autoihin. Korkeanlämpötilan kennot MCFC ja SOFC soveltuvat suuriin ajoneuvoihin lähinnä osavoimanlähteeksi hitaan käynnistymisen takia. Korkeanlämpötilan kennojen etu on mahdollisuus käyttää ajoneuvon polttoaineena esim. dieseliä, bensiiniä tai maakaasua, jota myös päävoimanlähde käyttää. Muut kennotyypit soveltuvat paremmin puhtaan vedyn käyttämiseen. Polttokennotekniikan haasteena on kehittää pitkäikäisempiä kennoja ja parantaa toimintaa monenlaisissa sääolosuhteissa. Pitkäikäisyyden vastineena on laskea huoltokuluja tekemällä halvempia kennoja, jotta polttokennojen käyttökustannukset saadaan lähemmäksi vastaavan polttomoottorin kustannuksia. 12

13 13 5. POLTTOAINEEN JAKELU JA VARASTOINTI 5.1. Polttoaineen jakelu ja varastointi Tällä hetkellä ei ole kaupallistettua ja valmista tekniikkaa vedyn varastointiin ja siirtoon. Yleisesti vety voidaan varastoida kaasuna, nestemäisenä ja kiinteässä olomuodossa muiden kemikaalien kanssa. Määräävänä tekijänä varastointimenetelmää päätettäessä toimii kapasiteetti ja energian tarve Varastoinnin mahdollisuudet Paineistettu kaasu on vedyn yleisin varastointimenetelmä. Paineistetun kaasun maksimipaineen rajoittava tekijä on turvallisuus. Yleensä maanpäällä olevissa varastoastioissa normaalipaine on noin 200bar. Alhaisempaa painetta käytetään usein suurissa pallonmuotoisissa(>15000m 3 ) joka on noin 12 16bar. Ympäristön lämpötilassa paineastian ideaaliseksi energian tiheydeksi saadaan noin kwh/m 3, mutta todellisuudessa kun otetaan astia huomioon, niin saadaan noin 537 kwh/m 3. Tähän mennessä varastointiastioissa on käytetty yleensä terästä, mutta kehitystä tapahtuu hiilikuitupohjaisiin komponenttien suuntaan. Vetykaasua voidaan varastoida myös suolalouhoksiin, pohjavesiluoliin ja kaivettuihin luoliin. Vuodesta 1971 lähtien Saksassa Kievin kaupungissa on varastoitu vetyä 1330 metrin syvyiseen luolaan. Suolaluola varastot valmistetaan liuottamalla ja peittämällä pinta sementeillä. Paine kyseisissä luolissa vaihtelee bar välillä, joka on energiatiheydessä kWh/m 3. Vuotohäviöt ovat tällaisissa noin 1 3% kokonaistilavuudesta. Nesteytetty vety höyrystyy 20,25K lämpötilassa joka aiheuttaa tekniikalle haasteita. Nestevetyä on kuitenkin käytetty avaruusteknologian polttoaineena jo vuosikymmeniä. Nestevedyn suurin ongelma on sen nesteytykseen tarvittava energia 11kWh/kg:n energia, joka on noin 28% vedyn energiasisällöstä. Häviöitä aiheutuu myös vedyn kiehumisesta, joka on suurilla säiliöillä 0,06% ja pienillä säiliöillä 3% luokkaa vuorokaudessa. Häviöitä voidaan pienentää parantamalla lämpöeristystä. Metallihydrideihin vedyn varastointi perustuu siihen, että vetyatomit liukenevat metallin kidehilaan. Lisäksi vetyatomien tiheys on jopa suurempi metallihydrideissä kun se on nestemäisellä vedyllä. Tämä tarkoittaa sitä, että metallihybrideillä saadaan suuri varastointikapasiteetti. Vedyn reaktionopeuteen metallihybridien kanssa vaikuttaa lämpötila, paine ja vedyn diffuusionopeus metallissa. Sitoutumisreaktio vapauttaa

14 14 lämpöä ja purkautumisessa reaktioon on tuotava lämpöä. Metallihydridien käyttöä ajoneuvoissa rajoittaa etenkin heikko energiatiheys massan suhteen. Vetyä voidaan varastoida myös hiilipohjaisiin nanoputkiin, lasipalloihin, fulleriineihin, aktiivihiileen ja zeoliitteihin, mutta nämä eivät ole kovin keskeisiä menetelmiä tällä hetkellä johtuen niihin liittyvistä ongelmista. Vetyä voidaan sisältää myös kemiallisiin yhdisteisiin kuten metanoli, mutta kaikissa niissä on ongelmia reaktiotuotteiden kanssa ja sen ettei niitä voi ladata uudelleen. [4.2] 5.3. Tilanne Vuonna 1999 ensimmäinen vedyn tankkausasema kehittyi Fordin toimesta Pohjois- Amerikan tutkimus- ja insinööricampukseen Dearborniin Michiganiin. Tämä asema rakennettiin vain tutkimuskäyttöä varten. Asema pystyi tuottamaan sekä nestemäistä että paineistettua vetyä. Vuosituhannen taitteessa alkoi eripuolelle maailmaa tulla vedyn tankkausasemia sekä niihin liittyviä projekteja. [5.0] ECTOS oli 4 vuoden projekti joka suoritettiin vuosien välillä. Ensimmäiset 2 vuotta meni toiminnan valmisteluihin Huhtikuun 24 päivänä avattiin ensimmäinen vetypolttoaine asema islantiin Reykjavikiin. Se rakennettiin norjalaisen Hydron tekniikan avulla. Reykjavikissa vetyä valmistettiin elektrolyysin avulla ja vety syötettiin ajoneuvoon paineistettuna kaasuna. Alkujaan siellä myös valmistettiin vedyllä toimivaa kolme DaimlerChryslerin bussia (Cityaro-tyyppi). Projektissa oli mukana 11 osakasta ja se kustansi noin 10 miljoonaa euroa. Lisäksi projektia tuki Euroopan komissio. Projektin lopullinen tarkoitus oli oppia ja saada käytännön kokemusta vedyn käyttämisestä polttoaineena. Tammikuussa 2006 päätettiin jatkaa samoilla busseilla, polttokennoilla ja polttoaineasemalla projektissa nimeltä HyFleet:CUTE. [5.1] HyFleet:CUTE projektin osakkaat ovat aiemmista projekteista kuten CUTE, ECTOS ja STEP. Projektissa halutaan testata, demonstroida ja kehittää julkisia vetybusseja, vedyn tuotantoa ja jakelua. Siihen kuuluu 31 osakasta ja sitä tukee myös Euroopan komissio. Projekti siis alkoi tammikuussa 2006 ja sen on määrä päättyä syyskuussa Projektin kokonaisbudjetti on noin 43,16 miljoonaa euroa. Tästä Euroopan komission rahoitusosuus on noin 19 miljoonaa euroa. Toimintaa on kymmenessä eri kaupungissa eripuolilla maailmaa. Kaupunkeja ovat Amsterdam (Hollanti), Barcelona and Madrid (Espanja), Beking (Kiina), Berliini ja Hampuri (Saksa), Lontoo (Iso-Britannia), Luxemburg (Luxemburg), Perth (Australia) and Reykjavik (Islanti). Tankkausasemat on suunniteltu, rakennettu toimimaan samanlaisten turvallisuusperiaatteiden mukaan kuin nykyiset bensa- ja dieselasemat. Eroavaisuutena on vedyn varastointi pääasiassa kaasuna, joka vaatii omat erikoistekniikat. Myös vedyn paineistaminen vaatii erikoistekniikkaa normaaliin tankkaukseen nähden. Pääkehityskohteina on vedyn paineistuksen teknologian toimiminen varmasti ja tehokkaasti. [5.2]

15 HyFleet:CUTE:ssa on todettu, että tähän mennessä vedyn paineistettu tankkaus ei ole ollut tarpeeksi luotettavaa ja hyvää. Projektin aikana aiotaan kuitenkin parantaa merkittävästi kyseisiä ongelma-alueita. Muun muassa tankkausjärjestelmä ei ole aina tankannut vetyauton tankkia täyteen mikä on merkittävästi pienentänyt autolla kuljettavissa olevan matkan pituutta. Tankkausasemien avainominaisuuksiin projektissa kuuluu mm.: automaattinen toiminta ja 24h valvonta, helppo tankkaus, tankkausaika minimissään busseilla 30min sekä 3 bussin tankkaus pienellä viiveellä tai ei viivettä ollenkaan. [5.3] 2002 heinäkuun 17. päivä japanissa käynnistettiin vety ja polttokenno demoprojekti (JHFC). Se koostuu polttokennoteknologian ja niihin liittyvien polttoaineasemien teknologian kehityksen kaupallistamisesta. Demonstraatio liittyy laajalti myös polttokennoautojen käyttöön. Projektin organisoi ministeriö yhdessä mukanaolevien yritysten kanssa. Projektissa rakennettiin useita vedynjakeluasemia. Asemat sijaitsevat Tokion metropolin alueella, Chubussa sekä Kansain alueella. Kymmenen vedyn jakeluasemaa sijaitsee metropolialueella ja jokainen valmistaa vetyä erimenetelmällä, sekä suorittaa omaa itsenäistä analyysiä. Daikoku-cho vetyasema oli kolmen vuoden aikana toiminnassa 707 päivää, tankkauksia suoritettiin 1216, joissa vetyä kului yhteensä 1525kg (16967m 3 ). Käytön aikana aseman energiatehokkuutta saatiin parannettua 5%. Asema on jouduttu sulkemaan hetkellisesti neljäksi päiväksi vetyvuodon takia. Japaniin on rakennettu tähän mennessä yhteensä 14 vetyasemaa. Tankkauskertoja on kaikkiaan tullut noin 8400 ja vetyä kulunut noin 23000kg. JHFC-projektissa on todettu, että jotta voidaan laajentaa vety asema verkostoa, vetyasemista täytyy saada tuottavampia vähentämällä rakennus-, toiminta- ja huoltokustannuksia. Maaliskuussa 2005 Japanissa muokattiin vetyaseman perustamissäännöksiä lakimuutoksilla. Tutkittiin myös mahdollisuutta nykyisten polttoaineasemien muuttamista vetykäyttöön. Ajatuksena oli leikata aseman kustannuksia, sekä saada yleistettyä vetytalous nopeammin vanhoja polttoaineasemia käyttämällä. Tankkauksen nopeuden parantaminen on kriittinen asia vetyasemissa. Nykyään vetyasema tankkaa autoja noin autoa päivässä. Tavoitteena on tankata autoa päivässä. Ensimmäisessä vaiheessa JHFC:ssä tulisi luoda teknologinen perusta, joka sisältää kulujen pienentämisen, tehokkuuden parantamisen, turvallisuuden ja luotettavuuden parantamisen ja taata helppo tankkaus polttokennoautoille [5.4] 15

16 16 6. YHTEENVETO Polttokennoautot ovat yleistymässä hyvää vauhtia. Polttokennoautoiluun siirtymisellä saavutetaan suuret ympäristöhyödyt autoilun päästöjen vähentyessä. Tärkeimmät päästövähennykset tulevat hiilidioksidipäästöjen osalta. Polttokennoilla päästään eroon polttomoottoreista tulevista päästöistä kuten häkä, hiilivedyt sekä typen oksidit. Vetyautoilun suurimmat hidasteet tällä hetkellä ovat suuret valmistuskustannukset sekä riittävän polttoainejakelujärjestelmän puuttuminen. Tämän hetken polttokennoautojen suorituskyky sekä toimintasäde alkaa olla riittävä henkilö ja linja-autosovelluksissa, mutta polttokennojärjestelmien elinikä on vielä riittämätön. Järjestelmien luotettavuus näyttäisi myös olevan kohdillaan suoritettujen käytännön testien perusteella. Tämän päivän tekniikka ja kehitystyö on keskittynyt PEM-kennoja energialähteenään ja paineistettua vetyä polttoaineenaan käyttäviin sovelluksiin. Suurimpana tulevaisuuden haasteena on järjestelmien käyttöiän nostaminen ja valmistuskustannusten laskeminen. Tällä hetkellä polttokennoautojen tulevaisuuteen uskotaan ja luotetaan, minkä vuoksi tutkimus- ja kehitystyöhön panostetaan voimakkaasti. Vetypolttoaineet varastoidaan nykyään pääasiassa paineistettuna kaasuna. Keskeisiä ongelmia on vedyn siirtoon ja jakeluun liittyvässä infrastruktuurissa. Vedyn siirron ongelmakohtana on rakentaa vedyn siirtoon sopiva järjestelmä vedyntuotantolaitosten ja jakeluasemien välille. Jakelun ongelmakohtina on muun muassa tankkauksen luotettavuus ja nopeus. Tällä hetkellä on useita käytännön projekteja joissa polttokennoautoja ja jakeluverkostoa kokeillaan käytännössä. Merkittävimmät ovat Euroopan alueella oleva HyFleet-CUTE, Japanin JHFC sekä Yhdysvaltojen omat projektit.

17 LÄHTEET [1.1] Dave Reay, Michael Pidwirny. Carbon dioxide.[www] The encyclopedia of earth [Viitattu ] Saatavissa: [2.1] YTV, [Viitattu ] Saatavissa: [2.2] Treatise, [Viitattu ] Saatavissa: neuvot%20manual_fi.pdf [3.1] Hyundain virallinen lehdistötiedote I-blue polttokennoautostaan [WWW] [viitattu ] Saatavissa: ow/2007_frankfurt_auto_show/asset_upload_file584_2322.pdf [3.2] Honda Worldwide news release 2007 Honda FCX Concept on Display at North American International Auto Show [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [3.3] General Motor Technology news 2006 Chevrolet to Launch World s Largest Fuel Cell Vehicle Fleet [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [3.4] Ford Motor Company press release 2007 Ford unveils world s first drivable fuel cell hybrid electric vehicle with plug-in capability [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [3.5] General Motor technology fuel cell fact sheets [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [3.6] Honda Worldwide site, FCX Concept auton esittely 2005 vuoden Tokyon autonäyttelyssä [WWW] [viitattu ] Saatavissa:

18 [3.7] Manfred Schuckert Progress in Hydrogen Fuel Cell Powered Vehicles in Action [WWW] DaimlerChrysler. [viitattu ] saatavissa: [3.8] CUTE project press release. Hamburg, 15 May [WWW] [viitattu ] Saatavissa: hamburg.motum.revorm.com/download/motum_cute_nachbericht_eng_ pdf [3.9] DaimlerChrysler - home - The Fuel Cell on Its Way to the Customer [WWW] [viitattu ] Saatavissa: html [3.10] DaimlerChrysler Technology & Innovation On Course for the Real World - Fuel-Cell Vehicles Tested in Every Day Life [WWW] [viitattu ] Saatavissa: html ja [3.11] DaimlerChrysler HighTech Report, Issue 1/2007 [WWW] [viitattu ] Saatavissa: eports_2006_hightechreport2007i_e.pdf [3.12] GM 2006 Corporate Responsibility Report: Hydrogen Fuel Cell Vehicles [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [3.13] GM Technology news U.S. Army Takes Delivery of GM s Latest Fuel Cell Vehicle [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [3.14] Hyundai Motor Company news sept. 11, Hyundai Debuts i-blue Fuel Cell Concept at 2007 Frankfurt Show Concept Reveals Future Direction of FCEV Technology [WWW] [viitattu ] Saatavissa: [4.1] Rita Jung. Basic terms and operating principle of a fuel cell electricity generation system [WWW] Institute of energy Research. Jülich Research Centre Germany. [Viitattu ] Saatavissa: [4.2] Risto Mikkonen Polttokennot ja Vetyteknologia. Tampereen teknillinen yliopisto Sähkömagnetiikan laitos.77 s.

19 [4.3] Kristina Haraldsson on direct hydrogen fuel cell vehicles modeling and demonstration. Chemical and Engineering and Technology. Kungliga Tekniska Högskolan Sweden. 96 s. [4.4] Polttokennoalan toimialaryhmä FCF esittelykalvot Versio [WWW] Teknologiateollisuus ry.[viitattu ] Saatavissa: [4.5] Comparison of Fuel Cell Technologies. [WWW]US department of energy. [Viitattu ] Saatavissa: ison_chart.pdf [5.0] Green Energy News August 15, 1999 Vol.4 No.20 [Viitattu ] [5.1] Icelandic New Energy finished projects ECTOS Hydro: World s first hydrogen filling station on way to Iceland. Hydro: Hydro opens worlds first hydrogen station on Iceland. [Viitattu ] [5.2] HyFleet:CUTE FAQ HyFleet:CUTE history introduction [Viitattu ] [5.3] HyFleet:CUTE Refuelling station technology HyFleet:CUTE Hydrogen infrastructure [Viitattu ] [5.4] JHFC: All about hydrogen part 6, Present Problems and Fuel Challenges to the Development of Hydrogen Station JHFC About JHFC Projects & Hydrogen station

20 [Viitattu ]