Hydrogenkjøretøy fram mot 2030- Pris og teknologiutvikling
Kjøretøyindustrien er i en historisk omstillingsfase. Uavhengig drivstoff vil bilen ha forandret seg mye
fram til 2030. Bilene vil være oppkoblet til databaser med mye informasjon og teknologien utvikler
seg i retning av førerassisterte systemer som overtar kontroll av bilen. Den største og viktigste
endringen i klimasammenheng er likevel overgang fra forbrenningsmotorbiler til nullutslippsbiler.
Andre klimarelevante faktorer er introduksjon av nye produksjonsteknikker som 3dprinting, bruk av
nye materialer til kjøretøy, økt resirkulering og endrede eierstrukturer og forretningsmodeller med
mer omfattende bildeling.
I dette dokumentet vil vi se på sannsynlige utviklingstrekk for brenselcellekjøretøy fram mot 2030.
Det er hovedvekt på familiebiler fordi det er disse som kommer først på markedet, men hydrogen og
brenselcelleteknologien har store anvendelsesområder ut over personbil. Innen yrkestransport har
hydrogen og brenselceller store fortrinn.
En brenselscellebil er en elektrisk bil der en brenselscelle driver den elektriske motoren. En
brenselcelle omdanner det kjemiske drivstoffet hydrogen til elektrisitet og varme uten forbrenning.
Brenselsceller har derfor høyere virkningsgrad enn forbrenningsmotorer.
Figur 1: Prinsippskisse av en brenselscelle. Kilde: Wikipedia.
Når brenselscellen blir tilført hydrogen, ledes positivt ladde hydrogenatomer (protoner) gjennom en
membran og reagerer med oksygen på den andre siden av membranen. Elektronene ledes gjennom
ytre ledninger som kobler de to sidene av membranen sammen. Elektronenes strøm i den ytre
kretsen brukes til elektrisk energi, som igjen driver elmotoren i en hydrogenbil.
En hydrogenbil er altså en elektrisk bil der den elektriske energien som brukes til fremdrift
produseres inni bilen. Dette har noen klare fordeler: Sammenlignet med bensin- og dieselbiler har
hydrogenbiler høy virkningsgrad, på grunn av den langt mer energieffektive elektriske motoren.
Likevel er virkningsgraden ikke like god som for batterielektriske biler, men her er det viktig å huske
2
på at elektrisiteten produseres inni bilen. En annen fordel er lettere vekt og raskere fylletid enn
batterielektriske biler - på grunn av at den bærer med seg et svært lett kjemisk drivstoff i stedet for
store mengder batterier. Tilgangen på drivstoff er også en fordel: Hydrogen er et svært tilgjengelig
råstoff som finnes overalt på kloden. I tillegg er det en opplagt fordel med brenselscellebiler at de
ikke gir skadelige utslipp. Brenselscellebiler slipper kun ut vann.
Figur 2: Illustrasjon av drivlinjen i en brenselscellebil. Her: Brenselcellebilen Honda FCX Clarity. Foto: Honda.
Brenselceller er en gammel oppfinnelse som inntil nylig har hatt liten anvendelse. Årsaken var høye
kostnader og kort levetid. De tidlige prototypene hydrogenbiler fra Toyota var forsikret for 40
millioner kroner, både fordi den var håndlaget og unik, men også fordi materialkostnadene var
skyhøye Det har vært forsket mye på brenselceller de senere årene og markedsintroduksjon har vært
varslet i lang tid, men stadig blitt utsatt. Nå står vi foran en markedsintroduksjon. Både Hyundai og
Toyota selger nå kommersielle hydrogenbiler på verdensmarkedet til priser på NOK 450 000 –
650 000. Disse modellene skal etter plan fra produsentene oppnå helt konkurransedyktige priser i
perioden 2015-2017. I tillegg har merkevareprodusenter som Ford, GM, Nissan, Daimler, BMW og
Renault annonsert at de kommer med brenselscellebiler for kommersielt salg innen 2020.
Brenselscelletteknologien har gjort store fremskritt de siste årene. Dagens moderne PEM
brenselceller har høyere virkningsgrad, lengre levetid og lavere materialkostnader enn det
brenselceller hadde for få år siden. PEM brenselceller, eller «protonbyttemembran brenselcelle» som
det egentlig heter på norsk, består av en polymermembran som er belagt med platinakatalysator på
begge sider. Ny materialteknologi har muliggjort redusert bruk av platina samtidig som levetiden har
økt. I tillegg består brenselcellen av flere andre komponenter som har blitt billigere å produsere og
mer robuste.
3
En kostnadsdrivende komponent i brenselsceller har vært de bipolare skilleplatene. For få år siden
var det vanlig å bruke grafitt til de bipolare platene, noe som medførte arbeidsintensiv utfresing av
gasskanaler i brenselcellene. I dag brukes metallplater. Arbeidet med å lage brenselcellene ble
tidligere gjort av høyt kvalifisert personell, mens dagens brenselceller lar seg produsere
helautomatisk.
Hydrogentanken er laget av karbonfibermaterialer. Prisen på karbonfiber har gått vesentlig ned, og
kunnskapen om hvordan man produserer slike tanker industrielt er blitt bedre. Nylig er det lansert
flere masseproduksjonsmodeller der karosseriet i bilen er i karbonfiber. Bruken av karbonfiber i
bilindustrien er i vekst samtidig som råvareprisen synker.
Som resultat av reduserte material og produksjonskostnader har Toyota redusert kostnadene for
produksjon av brenselscellebiler med 95 % de siste årene. Denne utviklingen vil fortsette, kombinert
med ytterligere reduksjoner i produksjonskostnader på grunn av økning i volum.
Hyundai, Toyota og Honda lanserer brenselcellebiler i perioden 2014-15. Hvor raskt volumene vil ta
seg opp er usikkert. Toyota har tidligere annonsert at de regnet med å selge 3000 hydrogenbiler
innen 2017 men vil nå tredoble produksjonskapasiteten fra den opprinnelige planen i løpet av 2015
på grunn av stor etterspørsel.
Figur 3: Brenselcellebilen Hyundai ix35e. Foto: Hyundai.
Det er ikke bare bilsalget fremover som vil bidra til økt volumsalg og reduserte kostnader for
brenselsceller. Innen stasjonære brenselceller ser vi nå at markedet for små hjemmeanlegg som
produserer strøm og varme fra gass til husholdninger øker i flere land. Likeledes er det nylig kommet
små lommeladere for mobiler som er basert på brenselceller. Større stasjonære anlegg er også i
vekst. Innen stasjonære brenselceller er fast-oksid brenselcelle (SOFC) på vei inn som en lovende
teknologi. SOFC har i dag en el virkningsgrad på rundt 65 % og en totalvirkningsgrad på opp til 95 %
ved utnytting av varmeoverskuddet.
I store lager som er i drift hele døgnet er hydrogendrevne gaffeltrucker nå lønnsomme alternativer til
konkurrerende teknologier. I USA er det i bruk mange tusen hydrogendrevne gaffeltrucker, i Europa
er innfasingen i gang. Blant annet har IKEA gått til innkjøp av hydrogen-gaffeltrucker.
4
De brenselscellebilene som settes ut i kommersielt salg nå har en effekt på rundt 100 kW og
rekkevidde på om lag 600 - 700 km. Rekkevidden kan kanskje komme til å øke litt etter hvert som
brenselcellene og drivverket og ikke minst motorstyring blir mer optimalisert og etter hvert som
materialbruken i hele bilen endres mot lettere materialer.
Motoreffekten kan i nye modeller bli både større og mindre. Dersom man inkluderer et større batteri
og bygger plug-in hybridbiler med hydrogendrivstoff vil man samtidig få en redusert kostnad
gjennom mindre effekt men dette forutsetter at brenselceller er dyrere enn batterier. Flere mener
brenselceller på sikt vil bli billigere å produsere enn batterier.
Hydrogen kan framstilles fra fornybar energi som solenergi. Det arbeides med å utvikle direkte
hydrogenproduserende solceller men foreløpig ligger dette noe fram i tid.
Det jobbes med å øke virkningsgrad på både brenselceller og i hydrogenproduksjonsprosessen.
Introduksjonsraten for batterielbiler i Norge viser at utviklingen går relativt raskt når forholdene
ligger til rette for det. Samtidig tok det mange år med utvikling av elbiler før salget for alvor begynte
å ta av i Norge. Hydrogenbiler er langt mer anvendelige nå enn det elbilene var da innfasingen av
disse startet i Norge. Samtidig vil introduksjonen av hydrogenbiler være avgrenset til de områdene
som har et tilgjengelig nettverk av hydrogenstasjoner, og begrenset av disse stasjonenes kapasitet.
En annen faktor som kan bidra til å begrense farten i innfasingen av hydrogenbiler sammenlignet
med elbiler er prisen for hydrogen. De første elbilistene kunne kjøpe en (dårlig) bil, og lade den gratis
hjemme eller hos venner, kun ved hjelp av en stikkontakt. De første hydrogenbilistene er avhengige
av stasjoner der hydrogenet ikke koster noe mindre enn bensin og diesel per km.
Den viktigste forutsetningen er likevel infrastrukturen: I Norge er det en begrenset infrastruktur
rundt Oslo, men det er planer om flere store stasjoner i det sentrale Østlandsområdet. I Norge er det
først og fremst Akershus fylkeskommune og Oslo kommune som har tatt ansvar for en tidligfase
infrastrukturutbygging fram til kommersielle aktører kan overta. Transnova har også støttet drift av
det eksisterende stasjonsnettverket etter at Statoil og Hydro trakk seg ut av virksomheten.
5
Figur 4: Hydrogenfyllestasjon på Herøya i Grenland, Telemark. Foto: HYOP.
Stasjonene som bygges i dag har mye større kapasitet enn de første stasjonene. En ny tidlig
infrastruktur i Norge på 15-25 store stasjoner vil kunne være nok til å forsyne 10 000 biler med
hydrogen og vil kunne koste 300-500 millioner kroner. ZEROs analyse av virkemidler for
hydrogenstasjoner i Norge angir et investeringsbehov på 700 millioner kroner for 23 stasjoner i
perioden 2015-2022, der statlig støttebehov vil være på i underkant av 400 millioner kroner, eller 48
millioner kroner i året. Med 15-25 hydrogenstasjoner vil infrastrukturen kunne tilby tilstrekkelig
mobilitet til å gi grunnlag for de første 10 000 hydrogenbilene i Norge. Dette er den kundemassen
som skal til for å skape et kommersielt marked for hydrogensalg til drivstoff i Norge, og videre
utbygging av stasjoner etter denne første infrastrukturen vil da kunne finansieres av inntektene fra
det eksisterende stasjonsnettverket.
Det er store programmer for utbygging av infrastruktur i Tyskland, USA og Japan. Dette vil sørge for
den første infrastrukturen som gjør det mulig for bilprodusentene å lansere serieproduksjon av
brenselcellebiler.
I Tyskland vil det være 50 hydrogenstasjoner i drift i 2015. Og et femtitalls hydrogenstasjoner vil
være i drift i USA (California og Nord Øst USA) i 2016 og det er ytterligere finansiering for bygging av
100 stasjoner innen 2023. I Japan skal 100 stasjoner stå klare tidlig i 2016.
I tillegg er det en del spredte stasjoner i flere land som England og Danmark.
Etablering av et grunnleggende nettverk av hydrogenstasjoner i Norge kan, sammen med
infrastrukturprosjektene i Tyskland, Japan og California, være med på å sette i gang volumproduksjon
av brenselcellesystemer globalt. En slik produksjon er nødvendig for ytterligere å få ned kostnadene,
6
noe som kan gi ringvirkninger i form av introduksjon av brenselscellekjøretøy i andre deler av
transportsektoren.
Utviklingen av brenselceller til bruk i bil har pågått i flere tiår, og mange milliarder er brukt på
forsking og utvikling. Toyota har lansert sin nye brenselcellebil som en helt ny modell. Det er en klar
indikasjon på at produsenten satser på dette.
Vi vil i årene fram mot 2030 se at brenselceller til biler blir både lettere, får høyere effekt, blir mer
effektive, mer kompakte, får lengre levetid og blir billigere.
Figur 5: Toyota Mirai brenselscellebil. Foto: Toyota.
En bilprodusent som klarer å etablere seg tidlig med en god og egenutviklet brenselcelleteknologi vil
få et godt forsprang. Inntjeningen ligger lengre fram i tid. Det er derfor grunn til å anta at
produksjonskost er høyere enn utsalgspris i begynnelsen.
I følge diverse uttalelser fra Toyota i avisen Japan News er utsalgspris i Japan satt til 7 millioner Yen
dvs. 420 000 NOK med dagens kurs. I følge samme kilde vil prisen bli mellom 3-5 millioner Yen (180300 000 NOK) i begynnelsen av 2020. Bilen vil bli lansert i Tyskland september 2015 og prisen er satt
til ca. 66 000 Euro og 57.500 USD i USA før skatterabatt og inkluderer da også tre års fri bruk av
hydrogen. Etter skatteinsentiver vil bilen trolig koste 45 000 USD i USA.
Bilen vil ikke bli lansert i Norge, men vil komme i salg i Danmark fra 2015 og i Norge tidligst fra 2016.
Hyundai sin hydrogenbil er i salg i Norge og koster i dag (2014) ca. 650 000 NOK. Hyundai har mål om
å komme ned i en produksjonskostnad for ix35 på ca. 280.000 NOK i 2015. Hyundai ix35 med
forbrenningsmotor koster til sammenligning mellom 270.000 og 425.000 NOK i Norge i 2014.
Det er myndighetene i California, Tyskland og Japan sammen med næringslivet og bilprodusentene
som bygger hydrogenstasjonene og subsidierer bilene, noe som muliggjør markedsintroduksjon. Det
7
finnes i California støtteordninger for nullutslippsbiler dette er en del av California Air Research
Board sin oppfølging av ZEV mandatet og gjør det lønnsomt å selge nullutslippsbiler i California. Den
Japanske stat og enkelte lokale myndigheter i Japan subsidierer Toyota Mirai med opp til 190 000
NOK per bil slik at bilen vil bli konkurransedyktig i Japan fra 2015.
USA sitt Energidepartement (US DOE) har tatt en sterk pådriverrolle for hydrogenteknologi, det
samme har EU gjennom sitt FOUI-program Horizon2020. US DOE har som mål for hydrogensatsingen
at brenselcellesystemer i kjøretøy skal koste kunne koste 30 USD per kW og ha en levetid på 5000
timer (tilsvarer om lag 240 000 km) innen 2017. I 2020, forutsatt en årsproduksjon av 500 000
brenselcellebiler, antar US DOE et platinainnhold på 0,2 g pr kW og en kostnad på
hydrogendrivstoffsystemet og hele drivverket inkludert elmotor på til sammen 12 000 USD. Til
sammenligning koster et tilsvarende konvensjonelt drivverk med motor 3000 USD. Med 0,2 g platina
pr kW vil platinakostnaden være rundt 8 USD per kW og platinakostnaden vil kun utgjøre noen få
prosent av systemets totalkostnad. Virkningsgrad på brenselscellestabel-nivå var i 2012 på 55 %.
Brenselcellesystemet er også blitt mer kompakt. Toyota Mirai har en brenselcellestabel med ytelse
på 3.1 kW/l. Det er mer enn doblet ytelse fra 2008.
Figur 6: Drivverket i en brenselscelebil. Foto: Toyota.
McKenzies rapport fra 2011 «A portifolio of Power Trains for Europe» er basert på intervjuer med
sentrale personer innen utvikling i bilbransjen, og konkluderer med at en hydrogen brenselcellebil i
2025 vil kunne være konkurransedyktig med en avansert bensinbil, eksempelvis en Honda hybridbil.
For medium og store biler og til lengre turer finner McKenzies at hydrogen er mer kostnadseffektivt
enn batteribil og at infrastrukturkostnaden vil utgjøre rundt 5 % av bilens totalkostnad i livsløpet.
ZEROs virkemiddelanalyse for hydrogenstasjoner fra 2014 kommer ut med sammenfallende
infrastrukturkostnad som McKinsey-rapporten, målt i andel av bilens livsløpskostnad.
Vi vet at prisen på brenselscelleteknologien vil gå ned i takt med at produksjonsvolumene øker. Alle
tegn tyder også på at prisen på hydrogen-drivstoff vil gå kraftig ned. Per i dag er pris for hydrogen i
Norge omtrent lik bensin for kjørt distanse. Ved produksjon av hydrogen ved elektrolyse av vann er
strømprisen den viktigste variabelen. Det er ventet at pris på fornybar energi som sol og vind vil
fortsette å falle. En fordel med hydrogen er at drivstoffet kan produseres på de tidene av døgnet og
de sesongene da fornybar kraft er i overskudd, og dermed rimelig. Hydrogenet kan deretter lagres til
8
bruk i kjøretøy. Dette gjør at hydrogen vil kunne produserespå tidspunkter da kraftprisen er
tilnærmet null eller til og med negativ. USDOE har som mål å få prisen på distribuert produsert
hydrogen i stor skala ned til 2 USD per kg hydrogen i 2020.
I dag regner man at det går med 50-60 kWh elektrisitet for å produsere et kg ferdig komprimert
hydrogen ved vanlig vannelektrolyse. Et kg hydrogen har en lav brennverdi på 33,33 kWh, men
brenselcellebilen er mer effektiv enn en tilsvarende bil med forbrenningsmotor. Toyota Mirai har
tankkapasitet på om lag 5 kg hydrogen som gir en kjørelengde på 600-700km. Dette betyr at en
brenselscellebil bruker ca. 0,36 kWh per km. Til sammenligning bruker en effektiv bensinbil fra 0,5
kWh per km (normert) og en elbil bruker 0,15-0,25 kWh per km. En elbil er altså mer energieffektiv
enn hydrogenbil, men hydrogenbil er mer energieffektivt enn biler med forbrenningsmotor.
Elbil med batterier kan hurtiglades på 20-30 minutter. En brenselscellebil kan fylle tanken på 3-5
minutter - uten usikkerhet om degradering av brenselcellesystemet.
Hydrogen og brenselceller egner seg godt for større biler. I Norge er 30 % av bilsalget SUV. I USA er
over halvparten av alle biler som selges pickup, SUV. minivan og andre store biltyper.
En fullstendig overgang fra fossile til fornybare drivstoff i personbilsegmentet fram mot 2030 vil med
all sannsynlighet forutsette både batteri- og hydrogenelbiler.
Hydrogen og brenselceller egner seg særlig godt til tyngre kjøretøy og fartøy slik som busser,
lastebiler og skip. Prisen på brenselcellebusser har blitt halvert de siste årene. Busser prøves ut i Oslo
i dag. I Europa har det de siste ti årene blitt kjørt 5,5 mil km med brenselcellebusser. En Europeisk
studie basert på framskrivninger fra produsentene tyder på at kostnaden for brenselscellebusser vil
fortsette å synke fram mot 2030, slik at en brenselcellebuss vil koste 400 000 til 450 000 Euro. Totale
kostnader for investering og drift av bussen vil da være 11-18 % høyere pr km enn en tilsvarende
dieselbuss i bussens levetid. Dette er konservative tall basert på opplysninger fra europeisk
bussindustri som jobber med å integrere heavy duty brenselceller og egne systemløsninger i relativt
små produksjonsvolum. Det er ikke tatt høyde for mulig synergi i form av prisreduksjon på
brenselsceller gjennom økt salgsvolum av brenselsceller til stasjonær bruk og til personbiler.
Flere produsenter utvikler hydrogenbaserte drivlinjer i busser basert på to bil-brenselcellesystemer
integrert i en buss. På denne måten kan man dra nytte av den omfattende utviklingen og
skalaeffekten ved volumproduksjon av brenselcellesystemer til bil. Dette kan, dersom introduksjonen
av brenselcellebiler blir vellykket, gi rimeligere hydrogenbusser langt raskere.
I kjøretøy og fartøy med behov for store energilagre om bord slik som langdistansetrailere og skip vil
flytende hydrogen være et godt alternativ til marin diesel/autodiesel. Lastebiler prøves ut enkelte
steder i USA. Trailere som bruker flytende hydrogen som drivstoff til trekkvogna er et godt
nullutslippsalternativ for landbasert tungtransport over større strekninger ved siden av elektriske
tog. Det er ikke behov for teknologiske gjennombrudd for å få til dette. Teknologien er der men den
må integreres og prøves ut og infrastruktur må bygges.
Hydrogen i skip et annet svært interessant bruksområde. Det er bygget noen brenselcellefartøy. I
Hamburg er det bygget en hydrogenturistferge og det er bygget flere ubåter med brenselcellesystem.
Det er også bygget noen skip med brenselcellesystem som sørger for strømforsyning om bord.
Eidesviks «Viking Lady» er et slikt fartøy, men i skipsnæringen ellers har utviklingen så langt vært
beskjeden.
9
US DOE 2014:
http://www1.eere.energy.gov/office_eere/pdfs/budget/fuelcells_ataglance_2014.pdf
Mc Kinsey: A portifolio of power trains 2010
http://ec.europa.eu/research/fch/pdf/a_portfolio_of_power_trains_for_europe_a_fact_based__analysis
.pdf
Strategic analysis Fuel cell transportation cost analysis :
http://www.fuelcellseminar.com/media/51421/mot23-3-4.pdf
Fuel Cell Electric Buses –Potential for Decarbonising Public Transport in Europe
A Study for the Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking 2014
ZERO-rapport 2014: «Virkemidler for hydrogenstasjoner I Norge og Skandinavia»