Fyll på med väte

Med en vikt på nästan 2 600 kilo verkar det magra fordonet på DaimlerChryslers förorts Detroit skunkverk vara en osannolik framtidsbil. Linjerna är tydligt från slutet av 1900-talet. Hoppa in i förarsätet och det känns som din vanliga sportutility vehicle (SUV). Men skjut upp huven, och det blir direkt klart att detta inte är någon vanlig gasslukare: I stället för en förbränningsmotor finns ett sofistikerat ombord raffinaderi - ett bränsleprocessorsystem av högtrycksgasledningar, kompressorer och kemiska reaktorer för att förvandla metanol till vätgas.

Detta rörliga laboratorium för flera miljoner dollar - Jeep Commander II - matar vätgas till två bränslecellstackar, som tyst kombinerar väte och syre i en kemisk reaktion som genererar tillräckligt med elektricitet för att slunga SUV:n nerför motorvägen. Bilens drift är ren och effektiv och genererar bara vatten, koldioxid och lite extra värme. Saknas är de giftiga luftföroreningarna och det fina sotet som spyr från de flesta fordons avgasrör.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2000

• Se resten av frågan
• Prenumerera

DaimlerChrysler och dess partners – den kanadensiska bränslecellsutvecklaren Ballard Power Systems och konkurrerande biltillverkaren Ford Motor Co. – tror att bränslecellsfordon kan leverera den kraft och prestanda som dagens förare är vana vid. Commander II visar hur tuff utmaning detta är. Medan fordonet representerar den senaste tekniken inom bränslecellsteknik, tar dess motor en halvtimme att värma upp och skulle kosta flera gånger mer att masstillverka än en standard V6. Men DaimlerChrysler minskar gapet. Dess nästa bränslecellsdemo, en halvkombi som kommer att presenteras redan i höst, kommer att fylla en bränslecell med dubbelt så mycket kraft som Commander II. Inte bara kommer dess bränsleprocessor att väga hälften så mycket, utan den kommer att starta på mindre än en minut.

Det är denna typ av stadiga och betydande förbättringar av bränslecellsteknologin som har övertygat många biltillverkare och oljebolag om att förbränningsmotorn äntligen har fått sin match. Inför strängare reglering av avgasutsläpp, investerar flera biltillverkare hårt för att leda omställningen. DaimlerChrysler, Ford och Ballard har spenderat nära 1 miljard dollar på bränsleceller och planerar att spendera minst en miljard mer till 2004 för att börja massproducera fordon. Målet är att ta ut bränsleceller från skunkverken och in i showroomet. Den stora majoriteten av våra medarbetare som arbetar med bränsleceller arbetar med produktionsprogrammet, säger Bruce Kopf, chef för TH!NK Technologies, Fords elbilsföretag.

Ford och DaimlerChryslers konkurrenter har anslutit sig till loppet, tillsammans med stora reservdelsleverantörer. Japans fyra största biltillverkare har investerat mer än 850 miljoner dollar i bränsleceller under det senaste decenniet, och flera har förbundit sig att kommersialisera tekniken – möjligen redan före DaimlerChrysler och Ford.

Dessa företag är entusiastiska över bränsleceller eftersom förbränningsmotorn blir svårare att förbättra. Även de mest sofistikerade konstruktionerna kommer att kämpa för att möta de tuffare utsläppsstandarder som snart kommer att införas i Kalifornien och flera stater på östkusten. Och att städa upp förbränningsmotorn börjar öka kostnaderna. Efter 100 år av förbättringar når förbränningstekniken sina gränser.

Bränsleceller är också tilltalande eftersom de kommer att befria elbilar från batterikraft, vilket ger de renaste bilarna på vägen idag men också dömer dem till en nischmarknad. Batteridrivna bilar är blixtlåsta och lyhörda, och nästan tysta utan skrammel och dån från kolvar. Men dessa funktioner har överskuggats av fordonens begränsade räckvidd. Batterierna har helt enkelt inte förbättrats mycket sedan de kördes av vägen av förbränningsmotorn för nästan ett sekel sedan. Elbilens inneboende begränsningar dömer den i huvudsak till en mycket liten räckvidd, och det är historien idag, säger historikern Robert Casey, transportkurator vid Henry Ford Museum i Dearborn, Mich. Elbilen har varit framtidens bil för de senaste hundra åren.

Membranmagi

Ett sätt att utöka elbilens räckvidd är att transportera bränsle och generera el ombord. Detta är det tillvägagångssätt som används av hybridbensin-elbilar som Toyota Prius, som visades i amerikanska utställningslokaler i somras. Prius använder en liten, effektiv förbränningsmotor, plus en hög med batterier som kompletterar motorn under acceleration och absorberar kraften från hjulen under bromsning. Problemet med denna lösning är att den i sig är komplicerad och kostsam, eftersom den kombinerar elektriska och mekaniska drivtekniker. Robert Winters, en kraftteknikanalytiker med Bear Stearns i New York, säger att Prius är kraftigt subventionerad och undrar om hybrider någonsin kommer att vara överkomliga. Du har ett redundant motorsystem där inne. Hur ska du övervinna det?

Gå in i bränslecellen. Till skillnad från batterier, som lagrar en laddning, genererar bränsleceller elektricitet i farten. Bär tillräckligt med bränsle så tar bränslecellen ditt elfordon vart du än vill. Winters säger att bränsleceller snabbt håller på att bli en handelsvara, och fordon som bär dem kan lätt stå för flera procent av de cirka 60 miljoner bilar som kommer att tillverkas över hela världen 2010.

Även om bränsleceller finns i ett halvdussin varianter som använder olika bränslen och material, har en version framstått som den klara favoriten för bilbruk: bränslecellen för protonbytesmembran (PEM). En PEM-cell är solid och kompakt och arbetar vid relativt svala 80 C. Hjärtat i PEM-cellen är ett gummiartat plastmembran belagt med en platinakatalysator. Katalysatorn delar vätgas i protoner och elektroner; endast protonerna kan passera genom membranet. Elektronerna färdas runt membranet och genererar den uppskattade elektriska strömmen, innan de rekombineras med protonerna och syret på andra sidan av membranet för att generera vatten. Att stapla en serie av dessa membrankatalysatoraggregat, eller celler, multiplicerar spänningen.

PEM-stackar tände rymdfarkosten Gemini som cirklade runt jorden på 1960-talet, men genererade en ström av elektricitet som var för svag och dyr för kommersiella tillämpningar, än mindre bilmotorer. Sedan, i slutet av 1980-talet, gjorde forskare vid Los Alamos National Laboratory stora framsteg inom katalysatorer och minskade mängden platina som krävs med 90 procent. Ballard multiplicerade stackens effekttäthet - kraften som returneras per enhet av dyrbart fordonsutrymme som den upptar - genom att lära sig hur man håller membranen glada (våta men inte blöta) och genom att perfekta rören som flyttar väte, syre och vatten genom staplarna. Ballard, baserad i Burnaby, B.C., har nära 400 patent utfärdade eller under behandling för att skydda sin ledning inom PEM-teknik.

För två år sedan överskred Ballard minimieffekttätheten för bilar - 1 000 watt per liter - med sin Mark 700-stack, varav två driver Commander II. Ballards Mark 900-stackar, som släpptes tidigt i år, gav så mycket som 1 350 watt per liter. Det är en effekttäthet som är praktisk för dagens fordon, säger Paul Lancaster, Ballards vicepresident för finans. En bil som packar en sådan stack borde med andra ord accelerera familjevägsmaskinen, inklusive bagage, med samma gut som en förbränningsmotor.

Styra runt hinder

Men håll i ditt checkhäfte, för mer arbete återstår för att göra bränslecellsfordonet praktiskt. Alla dess system är för dyra - till och med dyrare än att ladda en bil med batterier - och att leverera vätgas till högarna är fortfarande en kamp.

Ballards största utmaning är att tillverka billigare stackar. Företaget samarbetar med Ford och DaimlerChrysler för att optimera sina stackdesigner för billig, automatiserad produktion. Och för att uppnå en kritisk massa av produktionen kommersialiserar Ballard bränsleceller på flera marknader samtidigt - inte bara fordon utan bärbara kraftgeneratorer, bostadsgeneratorer och stationära kraftverk. Lancaster fastställer brytpunkten till cirka 300 000 stackar per år. I den mån det är möjligt har vi använt vanliga material och gemensamma tillverkningsprocesser över produktlinjer, så vi behöver inte tillverka bränsleceller för 300 000 bilar för att uppnå den volymen.

DaimlerChrysler och Ford fokuserar under tiden på att tillverka resten av bilen. Deras största huvudvärk har varit att hålla högarna matade med väte. Problemet med bränsleceller har blivit bränslena. Det är inte bränslecellen längre, säger Mohsen Shabana, som som programchef för bränslecellsfordon vid DaimlerChryslers tekniska teknikverksamhet i Rochester Hills, Mich., är ansvarig för att få Commander II att köras. Alla tre bränslen som biltillverkarna överväger – bensin, metanol och väte – utgör allvarliga utmaningar.

Utvinning av väte ombord från bensin skulle göra övergången till bränslecellsfordonet sömlös, eftersom bensin finns överallt. Men att förädla gas på språng är svårt. Reaktionerna sker över 800 C, vilket gör att enheterna startar långsamt, och kemin är temperamentsfull; medan processen rutinmässigt används i kemiska tillverkningsanläggningar och oljeraffinaderier för att göra industriella volymer av väte, är det svårt att klämma in det under huven. Ett annat olöst problem är att skydda bränslecellen från det katalysatorförgiftande svavlet i bensin.

Trots de tekniska utmaningarna har General Motors och Exxon Mobil nyligen meddelat den gemensamma utvecklingen av en bensinbränsleprocessor och säger att ett demonstrationsfordon som använder bränsleceller som drivs av processorn kan vara klart inom 18 månader. Biltillverkaren hävdar att även om väte sannolikt kommer att vara framtidens bränsle, kommer bensinbearbetningsteknik att ge en kritisk övergång för att göra bränslecellsbilar praktiska.

Andra är ovilliga att vänta på bensinprocessorn. DaimlerChrysler utvecklar ett metanolsystem. Vissa bränsleceller körs direkt på metanol snarare än väte, men bränslecellsexperter säger att denna teknik är minst sju år borta från den effektivitetsnivå som krävs för att driva en bil. Så att använda metanol som bränsle idag innebär att utvinna dess väte. Metanol är ett lättare mål än bensin eftersom det är svavelfritt och ger väte vid relativt milda 300 C. Men raffinering av metanol är fortfarande en komplex process som innefattar många steg, som vart och ett måste ske vid en viss temperatur.

Metanolprocessorn under Commander II:s huv suger ut tillräckligt med väte för att ta fordonet en skugga under 200 kilometer mellan metanolpåfyllningarna. Räckvidden begränsas av den lilla storleken på bränsletanken - en följd av den skrymmande bränsleprocessorn. Det stora problemet är dock att bränsleprocessorn tar en halvtimme att värma upp, vilket är en halvtimme längre än förare är villiga att vänta. Problemet är att processorn använder ånga för att frigöra vätgas, och att få upp en ånga tar tid - precis som det gjorde för ångbilarna i början av 1900-talet.

DaimlerChrysler, Ford och Ballard säger att de arbetar på en lösning: en nästa generations bränsleprocessor som använder en katalysator, snarare än ånga, för att kickstarta väteproduktionen. Det nya systemet är mycket mindre - något större än en fillåda - och väger hälften så mycket som besten som kläms under Commander II:s huva. Men den här sofistikerade lilla bränsleprocessorn har legat på länge. Ford och DaimlerChrysler planerade båda att visa tekniken i demobilar i våras, men bara Fords dök upp på bilutställningskretsen - och dess bränsleprocessor fungerade inte. Fords Kopf säger att de två företagen bestämde sig för att slå samman sina resurser – inklusive de knappa fordonsingenjörerna som är bekväma med elfordonets kommunikationssystem – för att få processorn att fungera i DaimlerChryslers nästa konceptbil. Systemet är så komplicerat, och det har många datorer som pratar med varandra, säger Kopf. Det finns inte många människor i världen som kan göra det här.

Medan dessa elitingenjörer tjafsar om katalysatorer och kontroller växer tvivel om livskraften för metanol som konsumentprodukt. Metanol är otäck grejer - inte bara kan det visa sig vara dödligt om det intas, utan även om det stänker på huden kan det orsaka blindhet och lever- och njursvikt. Och eftersom metanol löser sig i vatten, utgör det ett hot mot dricksvattenförsörjningen under jord. Det gör oljebolagen nervösa; de kämpar redan för att få ut den metanolbaserade bränsletillsatsen MTBE (metyltertiär butyleter) ur bensinen, efter att den illasmakande kemikalien började dyka upp i Kaliforniens dricksvatten.

Den mest uppenbara lösningen är förstås att direkt använda väte som bränsle. Det skulle eliminera behovet av en reformator såväl som den klimatuppvärmande koldioxid som den genererar (även om en del CO2 fortfarande skulle frigöras under väteproduktion från fossila bränslen, den vanligaste metoden idag). Problemet är att medan väte packar mer energi i vikt än något annat bränsle (ungefär tre gånger mer än bensin), är det svårt att stoppa mycket av denna energiska gas i en bränsletank. Packa en kommersiellt tillgänglig komprimerad gastank med väte, så tar den ditt fordon knappt 150 kilometer - inte längre än dagens bästa bilbatterier. Väte är också den minsta av molekylerna och glider genom de minsta hålen - en oroande egenskap, med tanke på dess karakteristiska brandfarlighet. (Kommer du ihåg Hindenburg?) DaimlerChrysler körde en demobil 450 kilometer med hjälp av en tank för flytande väte, men den kryogena tekniken för att lagra bränsle vid -253 C (bara 20 grader över absolut noll) är inte mogen för massmarknader. Och lycka till med att hitta en bensinstation för väte - det finns bara ett halvdussin över hela världen.

Tillgången på vätgas kan dock bli mindre av ett problem, eftersom stora oljebolag tar upp utmaningen att distribuera gasen. Graham Batcheler, VD för Texaco Energy Systems, oljejättens dotterbolag för avancerade bränslen i Houston, säger att företaget tror att bränslecellen kommer att ersätta förbränningsmotorn på lång sikt. Han anser att det är oundvikligt att förare kommer att fylla på vätgas - och han vill att de ska göra det på en Texaco-station. Istället för att kämpa för att skydda sin bensinfranchise, investerar Texaco i nyckelteknologin för att möjliggöra vätgasbränsle: avancerade lagringstankar.

En möjlighet för att lösa vätepackningsproblemet är helt enkelt att tänka om kompression. Starkare tankar skulle kunna komprimera vätgas till högre tryck, eller radikalt omdesignade fordonsramar skulle kunna rymma massiva men konstigt formade tankar. Ett annat alternativ är att packa tankar fulla med material som binder väte, vilket saktar ner molekylerna utan att göra gasen flytande. Grafitfibrer med invecklade nanostrukturer har till exempel visat sig absorbera mer än 20 viktprocent väte, vilket gör att mycket mer av gasen kan stoppas i en tank.

Konsumerande visioner

Med tanke på utmaningarna erkänner Johannes Ebner, verkställande direktören i DaimlerChryslers bränslecellsprogram med ansvar för bränsleinfrastruktur, att tidigare företagsuppskattningar att 20 000 till 40 000 av bilarna 2004 nu ser orealistiska ut: det kommer att bli en mycket begränsad produktion. Ballard, DaimlerChrysler och Ford kommer att börja testa sin teknik på konsumenter nästa år i Kalifornien, där hårda krav på föroreningsfria fordon ska träda i kraft 2003. California Fuel Cell Program (bildat av dessa tre företag tillsammans med andra biltillverkare, bränsle celltillverkare och flera stora oljebolag) planerar att sätta 60 bränslecellsbilar och -bussar på vägenande bränslecellsfordon ur händerna på noggranna ingenjörer och i händerna på krävande konsumenter.

Dessa Kalifornien-bilar, liksom Commander II, kommer att specialbyggas. Det verkliga testet för bränsleceller kommer när masstillverkade bilar kommer ut på vägen – vilket både Ford och DaimlerChrysler har lovat att göra 2004 trots att de vet att de kommer att förlora pengar på dem. Vi har sagt att vi kommer att ha fordon i allmänhetens händer, och det finns program på plats för att göra det, men det betyder inte att de är kommersiellt gångbara, säger Fords Kopf. Han medger att bränslecellsbilar nu är mycket dyrare än batteridrivna bilar, som i sig inte är billiga. Ford skulle behöva ta ut minst 35 000 dollar för att täcka kostnaderna för sin batteridrivna Ranger pickup, nästan tre gånger mer än prislappen som ger den en vinst för en förbränningsmotor Ranger utan krusiduller.

Varför lägger biltillverkare planer på att förlora pengar? Kopf säger att det alltid finns en möjlighet att tekniken kommer att löna sig tidigare än väntat. Instabilitet i Mellanöstern, till exempel, kan höja bensinen till 5 dollar per gallon, vilket får amerikaner att söka efter bränsleeffektivitet precis som oljekriserna gjorde på 1970-talet. Vi vill ha utvecklat en kärnteknisk förmåga – att veta var problemen finns, var vi behöver förenkla. Vi vill vara förberedda.

Men han säger att den ultimata motivationen är långväga. Bränslecellen lovar att göra bilen hållbar, minska föroreningarna och befria den från oljepolitiken – och se till att Ford kan göra lika mycket av ett dödande under detta århundrade som det gjorde under det förra. Bränslecellernas stora dragningskraft är löftet om noll avgasutsläpp, potentiellt inga utsläpp av växthusgaser och energioberoende, säger Kopf. Det är de heliga gralerna för bilindustrin.

Med en blick in i framtiden föreställer sig Kopf en värld där elektricitet från förnybara källor som vind- och solceller genererar väte från vatten - det motsatta av bränslecellsprocessen - för att driva en flotta av bränslecellsfordon. Du kan göra ett bränslesystem och ett fordon som producerar noll växthusgaser och noll avgasutsläpp - ett väte-syre-vatten-kretslopp som är hållbart för alltid. Det är det ultimata målet.

Man kan förvänta sig att den sortens prat kommer att göra ledarna på DaimlerChrysler nervös, som nyligen tillkännagav ett kraschprogram för att minska 2 miljarder dollar från verksamheten för att dämpa aktieägarnas oro över fallande aktiekurser och svag avkastning. Men Ebner säger att DaimlerChryslers ordförande Juergen Schrempp personligen skyddar bränslecellsprogrammets kreditram på 1 miljard dollar som en pipeline till framtiden. Schrempps vision låter ännu mer messiansk än Kopfs.

I ett tal nyligen till World Engineers Convention, bönföll ingenjören som blev företagsledare ingenjörer runt om i världen att kasta ner sina projekt och hoppa på bränslecellsvagnen. Schrempps motivering? Se till att framtida generationer inte överväldigas av globala klimatförändringar och ekonomiska störningar från minskande oljetillgångar. Vi delar alla ansvaret för att genomföra detta projekt, för ansvaret för att genomföra detta projekt, för att ta ansvar är en del av människors värdighet.

FÖRETAG STRATEGI PLANER DaimlerChrysler , Ballard Power Systems , och Ford Motor Samarbetar för att kommersialisera bränsleceller, bränsleprocessorer och elektriska enheter. Ballard fokuserar på att minska kostnaderna för bränsleceller, medan DaimlerChrysler och Ford demonstrerar integrerade fordon som körs på komprimerat väte, flytande väte och metanol. Planerad att demonstrera 30-40 fordon i Kalifornien mellan 2001 och 2003. Designade modeller för begränsad produktion 2004. GM och Toyota Samarbete om elbilar. Båda företagen, ledande inom batteri- och bensin-elektrisk hybridteknologi, har utvecklat fullt fungerande bränslecellskonceptbilar, bränsleceller och vätelagringssystem. Räkna med att ha bränslecellsbilar redo för kommersialisering senast 2004. Pågående investeringar i bensinbränsleprocessorer. Honda Bullish om sin ultrarena förbränningsteknik, men också att investera i bränsleceller. Honda har byggt bränslecellskonceptbilar med Ballard-stackar och proprietära stackar, men utrustningen tar upp passagerarutrymmet bak. Planerar att ha ett paket med teknik redo för kommersialisering av bränslecellsbilar till 2003, men har inte tillkännagett produktionsplaner ännu. Nissan Anpassade sin batteridrivna kombi för att bära Ballard-bränsleceller och en metanolprocessor, men utrustningen tar upp passagerarutrymmet bak. Nästa prototyp för att förvara utrustningen under golvet. Kunde producera bränslecellsbilar redan 2003. BMW, International Fuel Cells och Delphi Automotive Systems samarbetar för att ersätta batterier med bränslecellshjälpkraftenheter (APU) i förbränningsdrivna bilar. Planerar att kommersialisera bränslecells APU:er senast 2005.

Dölj