Miljøgevinst med hydrogenbil

Transkript

1 Avdeling for teknologiske fag Bachelorutdanningen RAPPORT FRA 1. SEMESTERS PROSJEKT I EMNE PRG106 HØSTEN2006 Prosjektmetodikk og IKT-verktøy F Miljøgevinst med hydrogenbil Avdeling for teknologiske fag Adresse: Pb 203, 3901 Porsgrunn, telefon , Bachelorutdanning - Masterutdanning Ph.D. utdanning

2 Avdeling for teknologiske fag Bachelorutdanningen RAPPORT FRA PROSJEKT I EMNE PRG106 HØSTEN 2006 Emne: Prg106 Prosjektmetodikk og IKT Tittel: Miljøgevinst med hydrogenbil Rapporten utgjør en del av vurderingsgrunnlaget i emnet Prosjektgruppe: F Gruppedeltakere: Helge Bjertnes Britt Jorunn Gaaren Didrik Aksnes Kristin Søntvedt Nomme Linda-Mari Rodal Tilgjengelighet: Åpen Øyvind Magnussen Lorena Rachelle Panganiban Ang Stephan Utland Kuhnert Yuxia Huang Hovedveileder: Knut Vågsæther Sensor: Biveileder: Hildegunn H. Haugen Prosjektpartner: Sammendrag: Hydrogen har stor energikapasitet kontra de fossile brenslene som brukes i dag. Det er derfor interessant å bruke det som energibærer, spesielt siden det også er meget miljøvennlig. Det er i dag store utslipp av klimagasser og overgang fra fossile, forurensende kilder til mer miljøvennlige er meget aktuelt. Vi har satt opp hvilken besparelse vi kan forvente ved å legge om til nullutslippsbiler i flere tilfeller med utgangspunkt i hvor mye CO 2 hvert kjøretøy slipper ut under drift. Man oppnår små besparelser totalt ved å redusere utslipp fra biltrafikk, da det ikke er primærkilden til utslipp. Teoretisk sett er teknologien for dette på plass, og vi gir en grundig innføring i de forskjellige metodene som er brukt, men det er både kostnadskrevende og lite bruksvennlig per i dag. Det er valgt en uoffisiell industristandard brenselscelle, PEMcellen(Proton Exchange Membrane), men det er i tillegg en del andre aktuelle kandidater. Vi har også tatt for oss disse for å gi et representativt bilde. Det er også en del utfordringer knyttet til den logistiske delen av dette, bla transport og lagring, spesielt siden det er mange måter å løse dette på. Både bilene og all infrastruktur er meget kostnadskrevende kontra eksisterende forbrenningsmotorteknologi. Høgskolen tar ikke ansvar for denne studentrapportens resultater og konklusjoner Avdeling for teknologiske fag

3 Telemark University College Faculty of Technology Bachelor of Science JOURNAL FROM PROJECT IN COURSE PRG 106 FALL 2006 Course: PRG-106 Prosjektmetodikk og IKT Title: Miljøgevinst med hydrogenbil The journal is a part of the evaluation result for the course Project group: F Group participants: Helge Bjertnes Britt Jorunn Gaaren Didrik Aksnes Kristin Søntvedt Nomme Linda-Mari Rodal Availability: Open Øyvind Magnussen Lorena Rachelle Panganiban Ang Stephan Utland Kuhnert Yuxia Huang Mentor: Knut Vågsæther Censor: Assisting mentor: Hildegunn H. Hegna Project partner: Summary: Compressed hydrogen has a large energy capacity in proportion to the fossil fuels used today. Because of this it is very interesting to use it as an energy carrier, especially since it is environmentally friendly. There are large emissions of climate gases today, making a transition from fossil, polluting sources to more environmentally friendly sources very interesting. We have listed the expected reduction of emissions if we convert to non-polluting vehicles in several different cases based on the amount of CO 2 emitted from each vehicle. There are little to gain from the reduction of vehicle-based emissions since this is not the primary source of climate gases. The technology is theoretic already common knowledge, and we present the different options available, but they are all extremely costly and not user-friendly yet. The industry has chosen an unofficial standard fuel cell(pem-cell, ProtonExchangeMembrane), but there are other candidates as well. These are explained as well to give the reader a broader picture of the technology. There are some logistical challenges with the incorporation of this technology, such as transportation and storage. The reason is that there are many ways to solve this, making it difficult to agree to one standard. Both purchasing the vehicles and building the necessary infrastructure is very costly, especially since this already exists for today s vehicles. TUC takes no responsibility for the results and conclusions in this student journal Faculty of Technology

4 Forord FORORD Denne rapporten er skrevet av 9 studenter ved HiT s studieretning gass og energiteknologi. Vi er en variert gruppe studenter med vidt forskjellig bakgrunn. Felles har vi alle interessen for realfag og spesielt kjemi. Rapporten passer for alle lesere, og det er ikke nødvendig med noen spesiell bakgrunn for å få utbytte av denne. Det er lagt ved 14 vedlegg til denne oppgaven. I vedleggene finner du bla oppgaveteksten, målformuleringer, gruppeavtale og møtehistorikk. Vi har også valgt å legge ved en logg fra prosjekttiden. Vi ønsker å takke alle kildene våre som har utmerket seg med sin vilje til å hjelpe oss med å fremskaffe selv den vanskeligste informasjon. De har uten unntak stilt opp og gitt av sin tid for å hjelpe oss. Signert Porsgrunn Helge Bjertnes Linda-Mari Rodal Britt Jorunn Gaaren Didrik Aksnes Kristin Søntvedt Nomme Øyvind Magnussen Lorena Rachelle Panganiban Ang Yuxia Huang Stephan Utland Kuhnert F

5 Innholdsfortegnelse INNHOLDSFORTEGNELSE Forord...2 Innholdsfortegnelse Innledning Hydrogen Miljø Statlige etater, kommunale etater og HiT Generelt om miljø Teknologi De 3 grunnprinsippene for hydrogenbasert transport Virkningsgraden til brenselsceller kontra forbrenningsmotor Brenselscellenes fordeler og ulemper De forskjellige typene brenselsceller PEM brenselscelle Alkalisk brenselscelle(afc) Fosforsyre brenselscelle(pafc) Fast oksid brenselscelle(sofc) Logistikk Fylling av hydrogen Transport av hydrogen Lagring av hydrogen Norges fortrinn i hydrogensamfunnet Risiko ved ulykker Økonomi Kostnader for brenselsceller Kostnader ved hydrogenlagring i bil Produksjon av hydrogen til drivstoff Driftsøkonomi Innkjøps- og driftskostnader HYNOR-prosjektet Kostnader ved å bygge fyllestasjoner Diskusjon Konklusjon...23 Referanser...24 F

6 Innholdsfortegnelse Vedlegg...26 F

7 1 Innledning 1 INNLEDNING I denne oppgaven ble vi bedt om å undersøke hva som var miljøgevinsten ved å bruke hydrogendrevne biler til transport innen HiT s avdelinger, i tillegg til i kommunal og statlig transport. Vi ble også bedt om å belyse de økonomiske og tekniske siden ved emnet hydrogendrevne biler. I dagens samfunn blir man mer og mer oppmerksom på at vi slipper ut enorme mengder klimagasser, og det er derfor en økende fokus på miljøvennlig teknologi og alternative ikkeforurensende drivstoff. Vi ønsket å se nærmere på hva som er reelt å forvente av miljøgevinst om man i forskjellige scenarier foretar et bytte til miljøvennlige kjøretøy, og om det virkelig er innenfor veitrafikk det blir forurenset mye. Vi har også valgt å fokusere på teknologien som eksisterer, hvilke typer brenselsceller som er alternativer i dag og hva som er valgt av industrien. Til slutt har vi sett på det økonomiske aspektet ved denne teknologien da vi mener det er en av de viktigste faktorene for å kunne implementere ny teknologi. Det har til tider vært et omfattende emne å se på, så vi har måttet gjøre visse avgrensinger. Vi har valgt å se på et begrenset utvalg kommuner, fylker og etater, og mener disse utgjør et relevant og representativt utvalg. Vi har også måtte estimere visse tall basert på skjønn, men mener at eventuelle unøyaktigheter i så tilfelle er minimale og ikke påvirker verken totalbildet eller vår konklusjon. Oppgaven starter med å først gi en liten innføring i hva hydrogen er, og hvilke egenskaper hydrogen besitter, for deretter å ta for oss den miljømessige delen av oppgaven. Så følger teknologi og logistikk, før vi avslutter det teoretiske med å kikke på det økonomiske. Vi mener denne progresjonen gir et oversiktlig bilde, og er en naturlig måte å presentere materialet vårt på. F

8 2 Hydrogen 2 HYDROGEN Hydrogen er det grunnstoffet det forekommer mest av. 75 % av massen til universet og 57 % av massen til sola består av hydrogen. Stjernene og galaksene inneholder store mengder hydrogen. På jorden finnes ikke hydrogen i fri form på grunn av at jordens gravitasjon ikke er sterk nok til å holde på mesteparten av hydrogenet. Vi kan derimot finne hydrogen som er bundet til andre stoffer. Fossiler, råolje, naturgass, vann og alt organisk materiale inneholder hydrogen.[1] Ved romtemperatur er hydrogen en gass. I den tilstanden er den fargeløs, luktløs, smakløs og ugiftig. Hydrogen er en lett, men meget plasskrevende gass. Hydrogen har i tillegg lavt energiinnhold/volum. Tettheten i gassform er 0,81kg/m 3 (ved 25 C og 1 bar). Derfor er det mye vanskeligere å lagre enn naturgass. Det kan faktisk unnslippe en beholder ved å trykke seg ut gjennom beholderlokket. For å lagre hydrogen blir det komprimert til væskefase. Hydrogen oppnår væskefase ved -253 C. Tettheten for hydrogen i væskefase er 71 kg/m 3 (-253 C ved 1 bar). Flytende hydrogen tar opp bare 1/700 av plassen kontra gassfase. Hydrogen blir komprimert ved -262 C. Tettheten i fastform er 70,6 g/l. Lagring og transportering av hydrogen krever mer energi enn naturgass, men regnestykket vil allikevel falle positivt ut for hydrogen da det har stor kapasitet som energibærer. Det inneholder 120,7 kj/g energi.[1] Tabell 2.1: Sammenligningstabeller for Hydrogen [33] Brennstoff Tetthet (kg/m 3 ) Energiinnhold (MJ /m 3 ) Bensin Diesel Naturgass(Metan) Hydrogen gass 2 14, Hydrogen væske Hydrogen er brennbart når det blander seg med andre gasser, og har et antennelsesområde mellom 4 % og 75 % blanding. Det er derfor en meget eksplosiv gass som må behandles med respekt.[1] 1 Gass: 20 C, 165,5 bar 2 Gass: 20 C, 165,5 bar 3 Væske: -253 C ca 1 bar F

9 3 Miljø 3 MILJØ Det er stor fokus på utslipp av klimagasser i Norge i dag. Det er derfor aktuelt å se på hvordan vi kan redusere disse utslippene. Dette korresponderer godt med denne oppgaven, og det vil derfor bli gitt en del relevante teoretiske eksempler i den påfølgende teksten. Vi har regnet ut snittverdier i enkelte tilfeller da vi ikke disponerte ubegrensede ressurser. På bakgrunn av en oversikt over alle registrerte motorkjøretøy i Norge, og statistikk over nasjonale og regionale utslipp av klimagasser, har vi kunnet regne ut hvor mye som blir sluppet ut av hvert kjøretøy. I tillegg har vi på bakgrunn av skjønn estimert en gjennomsnittlig kjørelengde for hvert kjøretøy. Disse opplysningene viser at hvert kjøretøy i snitt slipper ut 157,4 g CO 2 /km.[2,3] Regnestykket er som følger: Hele Norges bilpark: kjøretøy Totalt CO 2 utslipp fra vegtrafikk: 10,0 millioner tonn I følge dette slipper hvert kjøretøy i Norge i snitt ut 2,52 tonn CO 2 årlig. V har estimert en årlig kjørelengde på km per kjøretøy(estimert snittverdi). Vi finner da at hvert kjøretøy i snitt slipper 157,4 gram CO 2 per kjørte km.[2,3] Totale utslipp Totale utslipp med besparelse Veitrafikk i dag Veitrafikk med besparelse Figur 2.1: Oversikt over hva null utslipp fra offentlig adm. og samferdsel vil utgjøre. Alle tall i millioner tonn CO 2 -ekvivalenter. Som figur 2.1 viser er det relativt små besparelser ved å legge om til nullutslippsbiler i offentlig sektor. F

10 3 Miljø 3.1 Statlige etater, kommunale etater og HiT Tabell 3.1: Oversikt over utslippskilder, ant. kjøretøy, kjørelengde og besparelse i antall tonn CO 2 -ekvivalenter. Kilder: Ant. kjøretøy Kjørelengde Besparelse Statlige etater km ,8 tonn Forsvaret km 5511,4 tonn Politiet(Oslo, Tr.heim, Bergen) km 1949,2 tonn Kommunale etater i Telemark km 755,2 tonn Porsgrunn Kommune km 431,3 tonn HiT(estimert) km 2,5 tonn Tabell 3.1 viser at statlige og kommunale etater disponerer en imponerende mengde kjøretøy, men allikevel er de mulige miljøbesparelsene ved å legge om disse til nullutslippsbiler begrenset. Vegtrafikken i Norge slipper totalt ut 10,0 millioner tonn CO 2 -ekvivalenter, av et totalt utslipp på 54,0 millioner tonn. Da er tallene i tabell 3.1 små i sammenligning. 3.2 Generelt om miljø I geografiske områder med mye tung industri vil vegtrafikkens utslipp være en mindre del av det totale utslippet. I Telemark er det totale CO 2 utslippet 3 millioner tonn hvorav tonn kommer fra vegtrafikken. Dette utgjør 13,3 % av total utslippet i Telemark fylke. Det totale CO 2 utslippet i Norge i 2004 var 43 millioner tonn CO 2. Av dette utgjorde veitrafikken 23,3 %. Dersom Porsgrunn kommune skal bytte ut til hydrogenbiler er innkjøpsprisen på ca kr per bil. Kommunen disponerer i dag 137 biler, det vil med andre ord kreve et stort økonomisk løft å erstatte disse. I tillegg vil det kreves atskillig flere biler med tanke på driftsproblematikk. Per i dag er ikke teknologien stabil nok sammenlignet med bensinbiler. F

11 4 Teknologi 4 TEKNOLOGI Den store fordelen med brenselsceller ovenfor konvensjonelle forbrenningsmotorer er at de har ingen eller tilnærmet ikke noe utslipp. Det er derimot en utfordring å enes om en standard for både brenselscelle og fylling og lagring. Selv om teknologien er godt kjent er mye av dette ennå på forskningsstadiet. 4.1 De 3 grunnprinsippene for hydrogenbasert transport Det finnes to grunnprinsipper for bruk av hydrogen som brensel. Det første alternative er å tilpasse vanlige forbrenningsmotorer til bruk med hydrogengass. Dette gjøres ved at en hydrogen/luft blanding blir tilført i forbrenningskammeret istedenfor bensin/diesel/oksygen blanding. Resultatet av dette er at det ikke blir noe utslipp av C0 2 men det blir fremdeles utslipp av NOx gasser i tillegg til vann. Utslippet av NOx i forhold til vanlig forbrenningsmotorer er allikevel redusert og kan anses som neglisjerbar. Fordelen med denne teknologien er at den er forholdsvis enkel å ta i bruk da modifiserer en allerede eksisterende teknologi. Det finnes også andre avarter av hydrogenforbrenningsmotor, for eksempel den brukt i HiT s Toyota Prius. Her brukes hydrogenforbrenningsmotor som en generator for elektrisk energi som driver el-motorer. Fordelen med dette er at forbrenningsmotoren holder statisk turtall i det området hvor motoren har best virkningsgrad og dermed har minst mulig NOx-utslipp. Den andre teknologien er bruk av hydrogen i brenselsceller. Dette er den teknologien som fører til null utslipp, siden hydrogenet ikke blir brent opp men energien blir frigjort via en elektrokjemisk reaksjon. I dette tilfelle blir det kun sluppet ut vann. [10,14] PEM står for Proton Exchange Membrane, og er den type brenselscelle bilindustrien satser mest på, da denne har god virkningsgrad samtidig som den ikke har noe utslipp av NOx og CO 2 ved bruk av helt ren hydrogen. De første brenselscellene av denne typen ble allerede brukt på 1960 tallet i Gemini romfarts program. Når vi skriver om brenselsceller i underpunktene mener vi PEM-brenselscellen dersom det ikke blir nevnt noe annet.[9] F

12 4 Teknologi 4.2 Virkningsgraden til brenselsceller kontra forbrenningsmotor Vanlige forbrenningsmotorer utnytter 35 % av den lagrede energien i bensin til bevegelsesenergi, de resterende 65 % går over til varmeenergi. Brorparten av denne varmeenergien går over til bilens kjøleanlegg, der noe av denne energien blir brukt til å varme opp førermiljøet. Annerledes er det med brenselscelle teknologien hvor virkningsgraden er betydelige høyere. Virkningsgraden ligger på 45 % med dagens teknologi i en PEM(Proton Exchange Membrane) brenselscelle. Allerede dette er en god grunn for industrien og videreutvikle PEM brenselscelleteknologien, i tillegg til at den har en relativ lang levetid sammenlignet med andre teknologier. [9] Brenselscellenes fordeler og ulemper Fordelene med brenselsceller er som tidligere nevnt virkningsgraden og miljøgevinsten. Det er også av stor fordel at det ikke finnes noen bevegelige delere i en brenselscelle som må smøres eller vedlikeholdes med unntak av elektrolytten i cellen. Dette er allikevel et av de største problemene til en brenselscelle. PEM-brenselscellen er den brenselscellen man har mest tro på når det gjelder bruk i bil. Ulempen til denne typen sett med dagens øyne er at den består av svært kostbare materialer samtidig som levetiden er beregnet til å være ca timer. For å sette dette i perspektiv tilsvarer levetiden 7 år når en kjører 2 timer hver dag i året. For yrkestransport vil dette være fullstendig uinteressant siden levetiden er alt for begrenset. Samtidig stilles det også svært høye krav til kvaliteten av hydrogen. Allerede små forurensinger i hydrogen fører til en sterk redusert levetid av brenselscellen. Dette problemet er allerede løst med forskjellige rensesystemer. Ulempen med dette er at de fører til en økt kompleksitet i systemet, noe igjen også øker antall potensielle feilkilder. Prisen på slik teknologi er også med på å forsinke masseproduksjonen. Et annet problem er kulde. Brenselsceller har store problemer med kulde når vi nærmer oss -20 C. Systemet fryser rett og slett i stykker. Kort oppsummert er fordelene med en brenselscelle at den har ingen utslipp der den brukes og skaper stor nok energi til å kunne drive en bil på en tilfredsstillende måte. På den andre siden er det faktorer som levetiden, kostnad og kulde som setter en stopper for masseproduksjon. I alle fall med den nåværende teknologien.[11,12] F

13 4 Teknologi 4.3 De forskjellige typene brenselsceller I dette underkapittelet beskriver vi litt kort teknologien i forskjellige brenselsceller og hva slags bruksområde de er tiltenkt. Siden dette prosjektet handler om nullutslipp-brenselscelle er det ikke blitt tatt med Direkte metanol brenselscelle(dmfc) og Smeltet karbonat brenselscelle(mcfc) siden de produserer CO 2. [9] PEM brenselscelle Denne cellen er tiltenkt transportanvendelser inkludert maritime bruksområder. Denne typen har en elektrolytt som er i fastform og består av polymere. Hovedprinsipp er at hydrogenets protonkjerner kan trenge gjennom elektrolytten mens elektronene må gå veien rundt i en elektrisk krets som driver en elektromotor slik det vises i figur Figur 4.1: Her vises en prinsippskisse av en PEM-brenselscelle med virkemåte.[34] F

14 4 Teknologi Alkalisk brenselscelle(afc) Denne typen er allerede blitt utviklet på 1950 tallet og er en etablert teknologi siden det. Alkaliske brenselsceller har den aller høyeste virkningsgraden (60 %), men sliter med levetiden. Små forurensinger i hydrogenet gjør at elektrolytten blir ødelagt siden det blir dannet karbonater. Derfor må hyppig utskifting av elektrolytten til. Dette fører til økt vedlikehold, kostnader og høyt forbruk av elektrolytt. Elektrolytten som blir brukt er KOH og er i væskeform. Med KOH som elektrolytt får brenselscellen en høyere spenning under nullbelastning, men dette fører til at det blir dannet karbonater i elektrolytten. Dette er årsaken til at elektrolytten ofte må skiftes ut.[9] Fosforsyre brenselscelle(pafc) Denne teknologien har vært i stasjonært bruk siden Det finnes blant annet over 200 anlegg i Japan. Denne brenselcellen egner seg dårlig til transportbruk, men har blitt vurdert som et alternativ for tog. Årsaken til at denne typen brenselscelle egner seg dårlig til transportbruk er at fosforsyren trenger etterfylling under drift, noe som kan være en teknisk utfordring. Der er også problematisk med arbeidstemperaturen til denne type celler ( C), da det er vanskelig å sørge for tilstrekkelig luftkjøling pga plassen som da kreves. Vannkjøling på sin side trenger rensing av typen ionebytter. Dette fører til økt kostnad og er derfor forbeholdt systemer over 100kW.[9] Fast oksid brenselscelle(sofc) SOFC brenselscelle er en relativt lite gjennomprøvd teknologi og deretter blitt lite utprøvd i transport. SOFC sitt bruksområde vil være å overta tilleggsforsyning i skip og tog. Med tilleggsforsyninger mener vi energikilde for elektrisitet til kjøle/varme anlegg, belysning og elektrisk utstyr. Elektrolytten i denne cellen består av Zirkonium-oksyd(ZrO 2) i fast form. SOFC brenselsceller er også høytemperatur-brenselsceller som har de samme problemene som MCFC og andre høytemperatur-brenselsceller. [9] F

15 5 Logistikk 5 LOGISTIKK Det er mange utfordringer knyttet til den logistiske delen av bruker av brenselsceller. De dreier seg ofte om manglende standardisering av utstyr og teknologi. Det er spesielt innenfor lagring av hydrogen og fyllesystemer dette er vanskelig. 5.1 Fylling av hydrogen Tidligere var hydrogenstasjonene plassert inne på låste industriområder. Det er først i den siste tida at hydrogenstasjonene har blitt beregnet for offentlig bruk. At hydrogenstasjonene blir tilgjengelig for offentlig bruk stiller helt andre krav til sikkerhet enn tidligere når det bare var trenet personell med sikkerhetsutstyr som benyttet stasjonene. Ved design av en offentlig fyllestasjon må risikoen for menneskelig svikt minimeres i langt større grad enn ved en avlåst stasjon. Ved påfylling av kjøretøy er det to metoder som benyttes, boosterfylling eller kaskadefylling. Ved boosterfylling fylles kjøretøytanken fra et lager med likt eller lavere trykk enn det som er kjøretøyets arbeidstrykk og en kompressor fyller så opp tanken med hydrogen til fullt arbeidstrykk. Ved kaskadefylling fyller man kjøretøytanken ved trykkutligning med et lager arrangert i kaskader. [15,20] 5.2 Transport av hydrogen I Norge transporteres komprimert hydrogen i stålflasker enten alene eller i flaskepakker på en flaskebil. Ved transport av større mengder hydrogen er det hensiktsmessig å bruke mer spesialiserte løsninger. I mange land finnes omfattende rørledningsnett for hydrogen, ofte knyttet til industrien i området. Hydrogen transporteres også komprimert i tubetrailere eller flytende i tankbiler. En tubetrailer med ståltanker for transport av 106 kg hydrogen veier ca. 15 tonn. I tillegg kommer egenvekten til trekkbilen. En trailerløsning med sammenkoblede stående flasker for transport av 530 kg hydrogen har en totalvekt på 40 tonn inkludert trekkbil. Trykket disse trailerne er beregnet for er bar. Uansett hvilket transportmiddel man velger å bruke må kjøretøy og sjåfør være godkjent i henhold til Den europeiske avtale om internasjonal vegtransport av farlig gods.[15,20] F

16 5 Logistikk 5.3 Lagring av hydrogen Det er veldig krevende å lagre hydrogen på en rimelig og effektiv måte. Utfordringen ligger i at hydrogen ved normalt trykk og temperatur har svært lav energitetthet i forhold til volum. For at en hydrogenbil skal ha en akseptabel kjørelengde er det en utfordring i å få lagret nødvendig hydrogenmengde ombord i bilen. Det er tre hovedmetoder å lagre hydrogen på: Nedkjøling av hydrogenet til det blir flytende (-253 grader C), og oppbevaring i godt isolerte tanker. Komprimering av hydrogenet og oppbevaring på trykktanker. Lagring av hydrogen gjennom kjemisk binding til et annet stoff. Flytende hydrogen: Flytende hydrogen har mange fordeler med lav vekt og volum på tankene. Dette gjør at hydrogenbiler med et tanksystem for flytende hydrogen får god rekkevidde. Dagens teknologi for nedkjøling av hydrogen er energikrevende og et nedkjølingsanlegg vil være en stor investering. For å lage flytende hydrogen kreves det ca. 10 kw/t per kg hydrogen. Bedre og mer energieffektive nedkjølingsmetoder er under utvikling, men siden det ikke finnes noe nedkjølingsanlegg i Norge regnes bruk av flytende hydrogen som urealistisk på kort sikt. Komprimert hydrogen: Bruk av komprimert hydrogen har mange likhetstrekk med bruk av andre gasser under trykk, slik som naturgass. Komprimert hydrogen er i dag en handelsvare som selges ved mange av landets gassutsalg. Det brukes tradisjonelle gasstanker av stål ved salg av hydrogen til industrivirksomhet. Disse tankene er svært tunge. For eksempel veier en 2,2 liters stålsylinder 3 kg og hydrogenet som kan lagres i denne veier 0,036 kg. Det finnes også spesialutviklede hydrogentanker i plastmateriale som kan lagre hydrogen under høyt trykk, og samtidig holder lavt trykk. Den energien som kreves for å få komprimert hydrogenet avhenger av trykket og effektiviteten på kompressoren. Det kreves ca. 2,2 kw/t elektrisk energi for å komprimere 1 kg hydrogen til 200 bar. F

17 5 Logistikk Lagre hydrogen som hydrid: Å lagre hydrogen som hydrid vil si at hydrogenet er bundet opp til et eller flere andre stoffer. Metallhydrid er et lagringssystem som selges kommersielt fra flere produsenter. Dette er en kompakt lagringsform som regnes som svært sikker. En annen metode som det forskes på er lagring av hydrogen i karbon eller polymermaterialer. Det finnes foreløpig ingen hydrogenlagringssystemer som er basert på dette. Hydrogen fordamper svært raskt - langt raskere enn bensin - og brenner nesten uten strålevarme. Alle drivstoff er brennbare og kan være eksplosive, derfor kan de brukes som drivstoff. Det finnes derfor ikke noe 100 prosent sikkert drivstoff, alle drivstoff krever forsvarlig behandling ut fra sine fysiske egenskaper. Industrien har over 100 års erfaring med sikker bruk av hydrogen. NASA, som er verdens største forbruker av hydrogen til transportformål, blant annet som drivstoff til romfergene og Titanrakettene, klassifiserer hydrogen som det sikreste drivstoffet de bruker. I en kollisjon med tankbrudd vil en hydrogenbil med metallhydridlager av flere grunner være langt sikrere enn en bil med bensintank. Bensin og diesel og eksosen fra disse er allergi- og kreftfremkallende.[16,20] 5.4 Norges fortrinn i hydrogensamfunnet Norge har de beste forutsetninger for å ta i bruk hydrogen som energibærer siden vi både har en lang historie for å fremstille hydrogen og har teknologi og kompetanse. Norge disponerer dessuten nesten halvparten av gassreservoarene i Vest-Europa. Norge kan bli storleverandør av hydrogen. Norsk industri er godt rustet til å møte de utfordringene hydrogensamfunnet stiller, og innenfor frakt av flytende hydrogen kan norsk skipsfart få en tilsvarende ledende posisjon som ved frakt av LNG.[17] 5.5 Risiko ved ulykker Hydrogentanken er godt beskyttet i tilfelle en kollisjon. Tanken som ofte er laget av karbonfiber, er den sterkeste komponenten i bilen. Ved en eventuell lekkasje i drivstoffanlegget, vil en sikkerhetsventil stenge hydrogentilførselen. I friluft vil hydrogen stige opp og forsvinne eller antenne og brenne opp i løpet av få sekunder. En bensinbrann derimot vil brenne i lang tid. På verdensbasis har man flere tiårs erfaring med sikker bruk av mange tusen naturgassbiler som på mange måter er overførbar til hydrogenbiler.[19] F

18 6 Økonomi 6 ØKONOMI Generelt viser det seg at denne teknologien vil kreve omfattende investeringer, og i underkapitlene gis det en grundig oversikt over dette. 6.1 Kostnader for brenselsceller Per i dag ligger kostnaden på brenselceller veldig høyt. Hvis kostnadene på brenselceller til hydrogenbil skal presses ned til samme nivå som på en forbrenningsmotor må flere komponenter på brenselcellen ned i pris. En av hovedgrunnene til at kostnadsnivået ligger så høyt er at brenselcellene foreløpig ikke er satt i masseproduksjon. Masseproduksjon vil sannsynligvis få kostnadene presset ned. Prisen på brenselceller for personbiler ligger per i dag på ca.500 USD/kW, en brenselcellestakk koster ca USD. Hvis man sammenligner denne prisen med prisen på en forbrenningsmotor ser man den store forskjellen. Prisen på en forbrenningsmotor i en personbil ligger på 3500 USD. Det vil si en differanse på ca.1/10. Bilprodusenten Chrysler har estimert at kostnadene på en brenselcellestakk kan komme ned på 200 USD/kW, med dagens produksjonsteknologi. [21] Ifølge vurderinger fra Ballard som er en brenselcellefabrikant må prisen for en brenselcellestakk ned på ca USD/kW for at bilene skal være konkurransedyktige i forhold til biler med forbrenningsmotor. Foreløpig har ikke Ballard produsert en brenselcellestakk til under 300 USD/kW. Det vil si at prisen på en brenselcellestakk må reduseres til 1/10 av dagens for å få den konkurransedyktig.[21,24] 6.2 Kostnader ved hydrogenlagring i bil Kostnadene som er beregnet for lagring av hydrogen i bil varierer mye. Foreløpig vil prisen sannsynligvis ligge på 1000 USD for en 500 MJ tank. Det som eventuelt vil føre til en lavere kostnad er hvis tankene på bilen blir resirkulert etter ferdig bruk. Lagring av flytende hydrogen i bilen som også er en mulighet, vil koste mer. Dette er på grunn av at det vil bli brukt mye energi for å kjøle ned drivstoffet for å holde det flytende. Denne energi bruken vil føre til store kostnader over lengre tid. Det finnes også en metode for lagring i form av metallhydrider, men denne metoden blir altfor dyr til bruk i biler. [21,24] F

19 6 Økonomi 6.3 Produksjon av hydrogen til drivstoff I dag foregår det meste av produksjonen av hydrogen fra naturgass. En annen måte å produsere hydrogen på er fra metanol. Kostnadene ved å produsere hydrogen fra metanol er langt lavere enn fra naturgass, prisen vil trolig bli 1/40. En av årsakene er at i produksjon fra metanol trenger man ikke å fjerne CO 2 fra hydrogen i transport og kompressorer trengs heller ikke.[21,24] 6.4 Driftsøkonomi En hydrogenbuss koster per i dag ca.10 millioner NOK. Hvis man sammenligner dette med dagens dieselbusser er dette 4-5 ganger så mye. Ifølge Stor-Oslo Lokaltrafikk (SL) som har beregnet kostnaden på en hydrogendreven brenselcellebuss i 2012 vil kostnaden da ligge på ca.2,5 millioner NOK. Denne beregningen er gjort på bakgrunn av en antatt prisutvikling, som tilsier at brenselcellebusser og dieselbusser vil nærme seg etter I følge MAN vil prisen på en hydrogendrevet brenselcellebuss ligge på rundt 120 % av dagens dieselbusser, dette er hvis kommersialisering skjer i For busser er det store kostnadsspørsmålet drivstoffet. Det er her de store de store driftkostnadene ligger, mye på grunn av at de er pålagt å bruke avgiftsbelagt diesel. I framtiden kan faktisk dieselprisen komme til å ligge høyere enn prisen på hydrogen. Dette er på grunn av at hydrogen brukes som energibærer i drivstoffet og at avgiftene på diesel vil bli høyere. For eksempel kan hydrogen fra elektrolyse i Porsgrunn komme til å levere en pris fra tankingsanlegget som ligger mellom 30 % - 70 % lavere enn avgiftsbelagt diesel. Hydrogen som produseres fra naturgass vil også ligge lavere enn diesel, denne prisen er beregnet til ca. 1/3 av den avgiftsbelagte dieselen. Det vil si ca. 20 øre/kwh. [21,24] F

20 6 Økonomi 6.5 Innkjøps- og driftskostnader For tiden er det kun Toyota som leverer biler til hydrogendrift. Miljøbil Grenland kjøper Toyota Prius av Funnemark Porsgrunn. De har en avtale med Quantum Technologies som konverterer bilene slik at de kan gå på hydrogen. Det foreligger en avtale om å bygge om 19 biler, hvorav 15 vil gå til Grenlandsdistriktet. Think har planer om å slippe sin hydrogenbil ut på markedet våren Denne bilen vil koste ca NOK. Det er også planlagt at Mazda skal komme ut med en hydrogenbil, men denne kommer ikke på markedet før i BMW har lenge jobbet med å utvikle hydrogenbiler, og er blant de som har kommet lengst i utviklingen. De er de første som har serieprodusert slike biler. Siden BMW 750i hydrogen går på flytende hydrogen vil det ikke være mulig å fylle disse bilene i Norge foreløpig. BMW Norge prøver å få til en avtale med HyNor og Zero slik at fyllestasjonene langs Hydrogenveien også har mulighet for tanking av flytende hydrogen. Denne prosessen kan ta minimum 1,5 år. Prisen på BMW 750i hydrogen i Norge vil ligge på ca NOK, hvorav engangsavgiften på ca NOK. Det er også andre bilmerker som har drivet med utvikling av hydrogenbiler. Disse er imidlertid ikke til salgs i Norge. Om de ulike modellene vil bli tilgjengelig her i landet er noe usikkert.[25,26,27,28,31] Listeprisen på Toyota Prius ligger på rundt NOK. Miljøbil Grenland betaler ca NOK. Ved ombygging til en bil med hydrogendrift vil Prius med 3 tanker koste ca NOK, mens bilen med 2 tanker vil koste ca NOK. Disse prisene inkluderer ombygging og frakt. Pris på frakt av hver bil tur retur Porsgrunn Statene ligger på NOK. Selve prisen på konverteringen ligger på NOK/bil.[29] Høyskolen i Telemark har bestilt en hybrid ICE med 3 tanker. Denne har en kjørelengde på 20 mil. De har fått et leasingtilbud på NOK/mnd i 5 år, med et innskudd på NOK. Det ligger også et annet alternativ på tilsvarende bil, men med 2 tanker. Denne har en kjørelengde på 12 mil, og leasingtilbud på NOK/mnd. Men denne er ikke aktuell for HiT på grunn av kjørelengden. Foreløpig ser det ut til at Høyskolen skal lease bilen, men denne avtalen er ikke endelig. Det er planlagt at HiT skal betale 1/3 av prisen. De har fått til en sponsoravtale hvor Telemark fylkeskommune skal bidra med 1/3 av prisen, Noretyl og Gassnova skal bidra med 1/9 hver. Den siste sponsoren til 1/9 mangler foreløpig. Denne leasingavtalen forutsetter fritak for merverdiavgift og importavgift. HiT vil få 3 års garanti eller km på bilen og hydrogensystemet.[30] F

21 6 Økonomi Siden disse bilene blir et mer miljøvennlig alternativ er det visse fordeler innen diverse avgifter. Hybridbiler vil slippe med halvert engangsavgift. Det vil kun bli avgifter på bensindelen av bilen. Hydrogenbilene vil få flere avgiftsfritak på lik linje med elbilen. Engangsavgiften faller bort, og det samme vil også veiavgiften gjøre. Det er foreløpig noe usikkert om merverdiavgiften vil falle bort. Det jobbes også med at hydrogenbilene skal få gratis parkering, gratis passering i bomstasjoner og tilgang til å kjøre i kollektivfeltet. Dette er ønskelig siden elbilen har disse fordelene. En grunn til å fjerne avgifter på hydrogenbiler, er at dette kan bidra til å fremskynde prosessen med å introdusere flere hydrogenbiler. Dette på grunn av at de vil bli mer konkurransedyktige på priser.[29] Hydrogenbilene må benytte spesialverksteder ved motorrelaterte problemer. Plassering av et slikt verksted i Grenland vil bli sammen med fyllestasjonen på Hydro Porsgrunn Industripark. Det vil bli dyrere for reparasjoner av hydrogenbiler. Det er på grunn av at det vil måtte være tilstede en spesialist eller tekniker på hydrogenbiler. Men det er ønskelig at dette med tiden skal bli vesenlig billigere. Men på grunn av at det er mindre bevegelige deler i motoren, vil dette føre til færre reparasjoner.[31] Prisen på hydrogen ved fyllestasjonene vil ligge på ca samme nivå som bensinprisen. I Stavanger ligger prisen på 100 NOK/kilo. Denne prisen er lagt til grunn for at Toyota Prius bruker en kilo hydrogen/10 mil. Dette vil da si at det ligger en pris på 10 NOK/mil, noe som ligger nært opp til dagens bensinpris.[32] Prisene er oppgitt ut i fra antall bestillinger per dags dato. Ved senere levering av slike biler til Norge vil sannsynligvis prisene falle. Vi må ta hensyn til at det per dags dato ikke er stor nok etterspørsel etter slike biler. Men med tiden vil prisene falle. Dette vil komme som en følge av at prøvefasen er over. Økt konkurranse mellom de ulike bilmerkene og mer effektiv produksjon er også en viktig prisfaktor. Til syvende og sist for må prisene på hydrogenbiler ned på samme nivå som bensin- og dieselbiler for at det skal bli allemannseie. F

22 6 Økonomi 6.6 HYNOR-prosjektet Forskjellige typer kjøretøyer og hydrogenproduksjon skal prøves ut i områdene som inngår i Hynor-prosjektet. Dette er for å se hvilken type produksjon som fungerer best og for videre å utvikle hydrogenteknologien. Produksjonen av hydrogen er tilpasset stedenes tilgjengelighet på ressurser. Det er både kostnadsbesparende og man får prøvet ut og videreutviklet teknologien. Blant annet skal man i Oslo produsere hydrogen ved hjelp av vannkraftbasert elektrolyse. I Drammen skal produksjonen foregå fra biomasse. Notodden har satset på et svært kostnadsbesparende alternativ ved at søppelforbrenning gir det nødvendige hydrogenet. Dette gjøres ved at forbrenningen gir elektrisitet til elektrolysen. Hydrogenet i Porsgrunn vil komme i form av overskuddsgass fra industriell klorproduksjon. I Grimstad skal solenergi benyttes til å drive elektrolysen. Stavanger skal reformere naturgass med CO 2 -håndtering. Både busser, personbiler, taxi og lette varebiler skal prøves ut som kjøretøy. [21,24] 6.7 Kostnader ved å bygge fyllestasjoner Knutepunkt Stavanger: Hynor beregnet også stasjonen i Stavanger til å få en totalkostnad på 34 millioner kroner. Budsjettet for selve hydrogenstasjonen i Stavanger ble på 10 millioner kroner, av dette er investeringer i utstyr på 7-8 millioner. De ulike partene som inngikk en avtale i dette prosjektet er Rogaland Fylkeskommune, Statoil, Rogaland Taxi, Stavanger kommune, Lyse, Energiparken og Rogalandsforskning. [23,24] Knutepunkt Grenland: På grunn av Hydros fabrikk på Herøya, Porsgrunn, er også hydrogenstasjonen lagt til samme sted. Dette er gjort for å utnytte overskuddsgassen som kommer fra klorfabrikken på Rafnes. Overskuddsgassen er hydrogen. Hydrogenstasjon vil på grunn av klorfabrikken produsere nok hydrogen til hydrogenbiler. Foreløpig er det lagt opp til bruk for 13 biler og en buss. Gassen vil bli ført i en gassledning som allerede ligger klar i Frierfjorden, denne ledningen har aldri vært i bruk og er nå fylt med nitrogen. Beregninger viser at denne ledningen også kan brukes til hydrogentransport. Etableringskostnadene er beregnet til ca.15,5 millioner kroner og driftkostnadene pluss hydrogenkostnad er beregnet til 1 million kroner per år. Det vil gi en hydrogenpris på 8,5 kr per liter. Prisen er beregnet uten drift og anskaffelseskostnader av hydrogenbilene. Totalkostnad ved fase 1 i Grenland vil være på 39 millioner kroner. Fase 1 omfatter selve byggingen av stasjonen. Fase 2 vil få en totalkostnad på 7,6 millioner kroner. Denne fasen omfatter anskaffelsen av 1 stk. Think hydrogenbil, etablering av et vedlikeholdsverksted for hydrogenbiler og etablering av 700 bar fylletrykk. [23,24] F

23 6 Økonomi Knutepunkt Drammen: Totalkostnad på knutepunkt Drammen er beregnet 21 millioner kroner. [22] F

24 7 Diskusjon 7 DISKUSJON Utslipp av klimagasser og miljøkonsekvensene av disse er et meget relevant tema i dagens samfunn. Vi har begynt å ane konsekvensene av å drive rovdrift på miljøet, flere og flere forstår at vi må redusere spesielt utslipp av klimagasser dramatisk. At verdenssamfunnet tar dette alvorlig er antall land som har ratifisert Kyoto-avtalen et vitnesbyrd om. Denne oppgaven har hatt som fokus å se på miljøgevinsten av å bruke hydrogenbiler kontra konvensjonelle forurensende biler. Det slippes i dag ut ca 54 millioner tonn CO 2 -ekvivalenter i Norge. Av dette står veitrafikk for 10 millioner tonn. Vi har sett at om alle offentlige etater skifter ut sin bilpark med nullutslippsbiler vil det utgjøre en besparelse på ca tonn. Dette er bare en brøkdel av det totale utslippet. Det vil i tillegg koste enorme summer å kjøpe disse bilene. Man kan derfor spørre seg om ikke disse midlene hadde gjort bedre nytte for seg hvis de hadde blitt brukt til å redusere utslippene fra større kilder enn veitrafikk. Industrien er en slik kilde der vi ville sett store reduksjoner ved slike investeringer. Teknologien for bruk av brenselsceller har vært kjent lenge, og det har også blitt produsert hydrogen i over 100 år. Utfordringen med dagens teknologi er å få den billig og bruksvennlig nok til at den er et reelt alternativ. Dette gjelder også innenfor transport og lagring. Noe som viser at dette er relativt upløyd mark er at industrien ikke har klart å enes om en felles standard for type brenselscelle og for hvordan hydrogen skal lagres og transporteres. Når dette blir gjort er det lettere å ha en felles innsats mot samme mål, og utviklingen vil gå mye raskere. Prisen på brenselsceller og lagringstanker til biler er i dag så høy at det kun er relevant å kjøpe hydrogenbiler i forskningsøyemed eller for å markere firmaers miljøprofil. Det er derimot viktig at dette blir gjort, da man på den måten vil få viktige tilbakemeldinger om hvordan teknologien fungerer gjennom lengre tids bruk, og dermed kan tilpasse produktet. Det er også viktig å huske på at det må bygges en hel infrastruktur for fylling av hydrogen, og at det må opparbeides kompetanse på teknologien i forbindelse med nødvendige reparasjoner. F

25 8 Konklusjon 8 KONKLUSJON I denne oppgaven har vi søkt å svare på hva som er den miljømessige gevinsten ved å benytte hydrogendrevne biler til transport innen HiT s avdelinger i tillegg til i kommunal og statlig transport. Vi mener vi har svart ganske klart på dette og kunnet stadfeste at det er snakk om marginale besparelser. Det må en total utskiftning av den nasjonale bilparken til for at det skal være snakk om miljøbesparelser. Selv om både stat og kommune går foran med et godt eksempel vil de i den store sammenhengen ikke utgjøre noen interessant forskjell kontra dagens utslipp av klimagasser. Vi ble overrasket over hvor liten andel av de totale utslippene veitrafikk utgjør, og spør oss om ikke det ville være fornuftig å sette inn større tiltak på andre områder isteden. Teknologien har vært kjent lenge, men utfordringen har hele tiden vært å konkurrere med andre drivstoff når det kommer til kjørelengde og driftssikkerhet. Det er flere aktuelle alternativer innen brenselsceller, men det er PEM-cellen(Proton Exchange Membrane) som skiller seg ut både som et foretrukket industrivalg og som den mest bruksvennlige kandidaten. Logistisk sett er det en del utfordringer som må løses før man kan satse på hydrogen som drivstoff i stor skala. Man må både enes om lagringsmetoder og ha sikre og enkle fyllestasjoner som minimerer risikoen for ulykker. Det er heller ikke utviklet gode nok lagringsmetoder internt i kjøretøyet, da man må kunne ha tilstrekkelig mengde hydrogen lagret for å kunne oppnå en akseptabel kjørelengde. Siden hydrogendrevne kjøretøy som benytter brenselsceller ennå er på utviklingsstadiet er det en meget kostbar teknologi. Både innkjøp av kjøretøy, lagring, fyllestasjoner og vedlikehold er i dag uforsvarlig dyrt satt opp mot forbrenningsmotoren. Vi mener vi har god dekning for å kunne si at det per i dag ikke er reelt å bruke hydrogendrevne kjøretøy i stor skala, da det ikke finnes betalingsvilje for dette. Det er heller ikke interessant å se på de få hydrogendrevne bilene som finnes i dag som noen besparelse for miljøet da det rett og slett ikke er mange nok. Det hersker imidlertid ingen tvil om at ved at flere og flere tar løftet og anskaffer disse produktene vil prisene synke og teknologien både bli standardisert og mer driftsikker. Sett i et strengt økonomisk perspektiv et det i dag uforsvarlig å kjøpe disse produktene, men om man ser på det med fremtidsrettede, samfunnsøkonomiske øyne kan vi lure på om vi har råd til å la være. F

26 Referanser REFERANSER [1] Busby, Rebecca L. (2005). Hydrogen and fuel cells: A comprehensive guide. Penwell Corporation. Oklahoma, USA [2] Vegdirektoratet, Berg Noralv( ) [3] Miljøstatus i Norge- Utslipp av klimagasser ) [4] Forsvarets logistikkorganisasjon/adm. kjt, Gardermoen Flystasjon, Swen E Hollekim [5] Oslo Politidistrikt (politietaten), tlf [6] Trondheim Politidistrikt (politietaten), Fred Nilsen tlf [7] Bergen Politidistrikt (politietaten), tlf [8] Porsgrunn kommune, tlf [9] Torsdag Vestlands Forskning Rapport: Bruk av hydrogen i transport [10] Torsdag Brev fra Zero til finansministeren [11] Torsdag [12] Torsdag Diverse tester og målinger med PEMFC Brenselsceller [13] Bilde av en PEM Brenselscelle [14] Knut Vågsæther, [15] [16] [17] [18] [19] [20] F

27 Referanser [21] [22] [23] hynor2004.pdf/view?searchterm=leveranse%20nr%201mandag [24] [25] Bjørn Nenseth v / Miljøbil Grenland [26] Notat; introduksjon av avtale for HiT. [27] Bjørnar Kruse v/zero [28] Kristian Stenbo v/ BMW Norge [29] Egil Funnemark v/funnemark [30] Professor Dag Bjerketvedt v/ HiT [31] Ulf Hafseld v/hydro [32] Brage Johansen v/ Statoil ASA [33] Sammenligningstabeller for Hydrogen, Våge, Magna. Tekniske data og sammenligningstabeller for hydrogen. [34] F

28 Vedlegg VEDLEGG Vedlegg 1: Prosjektoppgaven Vedlegg 2: Målformulering Vedlegg 3: WBS Vedlegg 4: Gannt Vedlegg 5: Gruppeavtale Vedlegg 6: Teamroller Vedlegg 7: Logg Vedlegg 8: Innkalling prosjektmøte 1 Vedlegg 9: Referat prosjektmøte 1 Vedlegg 10: Innkalling prosjektmøte 2 Vedlegg 11: Referat prosjektmøte 2 Vedlegg 12: Innkalling prosjektmøte 3 Vedlegg 13:Referat prosjektmøte 3 Vedlegg 14: Introduksjon av hydrogen som nytt miljøvennlig drivstoff i transportsektoren. F