Fyld dig op med brint

Med en vægt på næsten 2.600 kg virker det smarte køretøj på DaimlerChryslers forstads Detroit skunkværk som en usandsynlig fremtidsbil. Linjerne er tydeligt sidst i det 20. århundrede. Hop ind i førersædet, og det føles som din standard sport utility vehicle (SUV). Men klap motorhjelmen op, og det bliver med det samme klart, at dette ikke er en almindelig gassluger: I stedet for en forbrændingsmotor ligger et sofistikeret raffinaderi ombord - et brændstofprocessorsystem af højtryksgasledninger, kompressorer og kemiske reaktorer, der skal omdanne methanol til brintgas.

Dette multimillion-dollar bevægelige laboratorium - Jeep Commander II - tilfører brinten til to brændselscellestakke, som lydløst kombinerer brint og ilt i en kemisk reaktion, der genererer nok elektricitet til at slynge SUV'en ned ad motorvejen. Bilens drift er ren og effektiv og genererer kun vand, kuldioxid og noget ekstra varme. Mangler de giftige luftforurenende stoffer og fin sod, der spyr fra de fleste køretøjers udstødningsrør.

Denne historie var en del af vores november 2000-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

DaimlerChrysler og dets partnere - den canadiske brændselscelleudvikler Ballard Power Systems og rivaliserende bilproducent Ford Motor Co. - mener, at brændselscellekøretøjer kan levere den kraft og ydeevne, som nutidens bilister er vant til. Commander II viser, hvor hård en udfordring dette er. Mens køretøjet repræsenterer det nyeste inden for brændselscelleteknologi, tager dets motor en halv time at varme op og vil koste flere gange mere at masseproducere end en standard V6. Men DaimlerChrysler lukker hullet. Dens næste brændselscelle-demo, en hatchback, der skal afsløres allerede til efteråret, vil pakke en brændselscelle med dobbelt så meget kraft som Commander II. Ikke alene vil dens brændstofprocessor veje halvt så meget, men den starter op på mindre end et minut.

Det er denne type konstante og væsentlige forbedringer inden for brændselscelleteknologi, der har overbevist mange bilproducenter og olieselskaber om, at forbrændingsmotoren endelig har opfyldt sit match. Over for strammere regulering af udstødningsemissioner investerer flere bilproducenter kraftigt for at lede overgangen. DaimlerChrysler, Ford og Ballard har brugt tæt på 1 milliard dollars på brændselsceller og planlægger at bruge mindst en milliard mere inden 2004 for at begynde at masseproducere køretøjer. Målet er at tage brændselsceller ud af skunkværket og ind i showroomet. Det store flertal af vores folk, der arbejder med brændselsceller, arbejder på produktionsprogrammet, siger Bruce Kopf, direktør for TH!NK Technologies, Fords elbilvirksomhed.

Ford og DaimlerChryslers konkurrenter har deltaget i løbet sammen med store deleleverandører. Japans fire største bilproducenter har investeret mere end 850 millioner dollars i brændselsceller i løbet af det seneste årti, og flere er forpligtet til at kommercialisere teknologien - muligvis endda før DaimlerChrysler og Ford.

Disse virksomheder er begejstrede for brændselsceller, fordi forbrændingsmotoren bliver sværere at forbedre. Selv de mest sofistikerede designs vil kæmpe for at opfylde de skrappere emissionsstandarder, der snart vil blive pålagt i Californien og flere stater på østkysten. Og oprydning af forbrændingsmotoren begynder at øge omkostningerne. Efter 100 års forbedringer er forbrændingsteknologien ved at nå sine grænser.

Brændselsceller er også tiltalende, fordi de vil frigøre elbiler fra batteristrøm, som giver de reneste biler på vejen i dag, men også dømmer dem til et nichemarked. Batteridrevne biler er lynhurtige og lydhøre og næsten lydløse uden stemplernes raslen og brøl. Men disse funktioner er blevet overskygget af køretøjernes begrænsede rækkevidde. Batterier er simpelthen ikke blevet meget bedre, siden de blev kørt af vejen af ​​forbrændingsmotoren for næsten et århundrede siden. Elbilens iboende begrænsninger dømmer den i det væsentlige til en meget lille rækkevidde, og det er historien i dag, siger historiker Robert Casey, kurator for transport på Henry Ford Museum i Dearborn, Mich. Elbilen har været fremtidens bil for de sidste hundrede år.

Membran magi

En måde at udvide elbilens rækkevidde på er at transportere brændstof og generere elektricitet ombord. Dette er den tilgang, der bruges af hybride benzin-elbiler som Toyota Prius, der ramte amerikanske udstillingslokaler denne sommer. Prius har en lille, effektiv forbrændingsmotor plus en bunke batterier, der supplerer motoren under acceleration og absorberer kraften fra hjulene under bremsning. Problemet med denne løsning er, at den i sagens natur er kompliceret og dyr, da den kombinerer elektriske og mekaniske drivteknologier. Robert Winters, en energiteknologianalytiker hos Bear Stearns i New York, siger, at Prius er stærkt subsidieret og spekulerer på, om hybrider nogensinde vil være overkommelige. Du har et overflødigt motorsystem derinde. Hvordan vil du overvinde det?

Gå ind i brændselscellen. I modsætning til batterier, der lagrer en ladning, genererer brændselsceller elektricitet i farten. Bær nok brændstof, og brændselscellen vil tage dit elektriske køretøj, hvorhen du vil hen. Winters siger, at brændselsceller hurtigt er ved at blive en handelsvare, og køretøjer, der bærer dem, kan nemt tegne sig for flere procent af de omkring 60 millioner biler, der vil blive produceret på verdensplan i 2010.

Selvom brændselsceller findes i et halvt dusin varianter, der bruger forskellige brændstoffer og materialer, har én version vist sig som den klare favorit til bilbrug: proton exchange membrane (PEM) brændselscellen. En PEM-celle er solid og kompakt og fungerer ved relativt kølige 80 C. PEM-cellens hjerte er en gummiagtig plastmembran belagt med en platinkatalysator. Katalysatoren spalter brintgas i protoner og elektroner; kun protonerne kan passere gennem membranen. Elektronerne rejser rundt i membranen og genererer den værdsatte elektriske strøm, før de rekombinerer med protonerne og oxygen på den anden side af membranen for at generere vand. Stabling af en række af disse membran-katalysatorsamlinger eller celler multiplicerer spændingen.

PEM-stabler tændte Gemini-rumfartøjet, der kredsede om Jorden i 1960'erne, men genererede en strøm af elektricitet, der var for svag og dyr til kommercielle applikationer, endsige bilmotorer. Så, i slutningen af ​​1980'erne, gjorde forskere ved Los Alamos National Laboratory store fremskridt inden for katalysatorer, idet de reducerede den nødvendige mængde platin med 90 procent. Ballard multiplicerede stakkens effekttæthed - den strøm, der returneres pr. enhed af værdifuld køretøjsplads, den optager - ved at lære at holde membranerne glade (våde, men ikke gennemblødte) og ved at perfektionere rørføringen, der flytter brint, ilt og vand gennem stakkene. Ballard, der er baseret i Burnaby, B.C., har tæt på 400 patenter udstedt eller under behandling for at beskytte sit førende inden for PEM-teknologi.

For to år siden overskred Ballard minimumseffekttætheden for biler - 1.000 watt pr. liter - med sin Mark 700-stabel, hvoraf to driver Commander II. Ballards Mark 900 stakke, udgivet tidligt i år, udgav så meget som 1.350 watt per liter. Det er en effekttæthed, der er praktisk for nutidens køretøjer, siger Paul Lancaster, Ballards vicepræsident for finans. Med andre ord skal en bil, der pakker sådan en stak, accelerere familievejsmaskinen, inklusive bagage, med samme velbehag som en forbrændingsmotor.

Styring rundt om forhindringer

Men hold fast i dit checkhæfte, for der er mere arbejde tilbage for at gøre brændselscellekøretøjet praktisk. Alle dens systemer er for dyre - endda dyrere end at læsse en bil med batterier - og det er stadig en kamp at levere brint til stakkerne.

Ballards største udfordring er at fremstille billigere stakke. Virksomheden arbejder sammen med Ford og DaimlerChrysler om at optimere sine stakdesigns til billig, automatiseret produktion. Og for at opnå en kritisk masse af produktionen kommer Ballard til at kommercialisere brændselsceller på flere markeder samtidigt - ikke kun køretøjer, men bærbare strømgeneratorer, boliggeneratorer og stationære kraftværker. Lancaster fastlægger breakeven-punktet til omkring 300.000 stakke om året. I det omfang det er muligt, har vi brugt almindelige materialer og fælles fremstillingsprocesser på tværs af produktlinjer, så vi ikke behøver at lave brændselsceller til 300.000 biler for at opnå den volumen.

DaimlerChrysler og Ford fokuserer i mellemtiden på at lave resten af ​​bilen. Deres største hovedpine har været at holde stablerne fodret med brint. Problemet med brændselsceller er blevet brændstofferne. Det er ikke brændselscellen længere, siger Mohsen Shabana, der som programleder for brændselscellekøretøjer ved DaimlerChryslers ingeniørteknologioperation i Rochester Hills, Mich., er ansvarlig for at få Commander II til at køre. Alle tre brændstoffer, som bilproducenter overvejer - benzin, methanol og brint - udgør alvorlige udfordringer.

Indbygget udvinding af brint fra benzin ville gøre overgangen til brændselscellekøretøjet problemfri, da benzin er overalt. Men det er svært at raffinere gas på farten. Reaktionerne sker over 800 C, hvilket gør, at enhederne starter langsomt, og kemien er temperamentsfuld; mens processen rutinemæssigt bruges i kemiske fabrikker og olieraffinaderier til at fremstille industrielle mængder brint, er det vanskeligt at presse det under hætten. Et andet uløst problem er at beskytte brændselscellen mod det katalysatorforgiftende svovl i benzin.

På trods af de teknologiske udfordringer har General Motors og Exxon Mobil for nylig annonceret den fælles udvikling af en benzinbrændstofprocessor og siger, at et demonstrationskøretøj, der bruger brændselsceller drevet af processoren, kan være klar inden for 18 måneder. Bilproducenten hævder, at selvom brint sandsynligvis vil være fremtidens brændstof, vil benzinbehandlingsteknologi give en kritisk overgang til at gøre brændselscellebiler praktiske.

Andre er uvillige til at vente på benzinprocessoren. DaimlerChrysler er ved at udvikle et methanolsystem. Nogle brændselsceller kører direkte på methanol frem for brint, men brændselscelleeksperter siger, at denne teknologi er mindst syv år væk fra det effektivitetsniveau, der kræves for at drive en bil. Så at bruge methanol som brændstof i dag betyder at udvinde dets brint. Methanol er et lettere mål end benzin, fordi det er svovlfrit og giver brint ved relativt milde 300 C. Men raffinering af methanol er stadig en kompleks proces, der involverer mange trin, som hver skal foregå ved en bestemt temperatur.

Methanol-processoren under Commander II's motorhjelm suger nok brint ud til at tage køretøjet en skygge under 200 kilometer mellem methanolpåfyldninger. Rækkevidden er begrænset af den lille størrelse af brændstoftanken - en konsekvens af den voluminøse brændstofprocessor. Det store problem er dog, at brændstofprocessoren tager en halv time at varme op, hvilket er en halv time længere, end chauffører er villige til at vente. Problemet er, at processoren bruger damp til at frigøre brinten, og det tager tid at komme op i dampen - ligesom det gjorde for dampbilerne i begyndelsen af ​​1900-tallet.

DaimlerChrysler, Ford og Ballard siger, at de arbejder på en løsning: en næste generations brændstofprocessor, der bruger en katalysator i stedet for damp til at sætte gang i brintproduktionen. Det nye system er meget mindre - lidt større end en arkivboks - og vejer halvt så meget som udyret klemt under Commander II's hætte. Men denne sofistikerede lille brændstofprocessor har været længe undervejs. Ford og DaimlerChrysler planlagde begge at vise teknologien i demobiler i foråret, men kun Fords dukkede op på autoshow-kredsløbet - og dens brændstofprocessor fungerede ikke. Fords Kopf siger, at de to selskaber besluttede at samle deres ressourcer - inklusive de knappe bilingeniører, der er komfortable med det elektriske køretøjs kommunikationssystemer - for at få processoren til at fungere i DaimlerChryslers næste konceptbil. Systemet er så kompliceret, og det har fået mange computere til at tale sammen, siger Kopf. Der er ikke mange mennesker i verden, der er i stand til at få dem til at løbe.

Mens disse eliteingeniører bøvler om katalysatorer og kontroller, vokser der tvivl om levedygtigheden af ​​methanol som et forbrugerprodukt. Methanol er grimme ting - ikke kun kan det vise sig dødeligt, hvis det indtages, men selv sprøjtning af det på huden kan forårsage blindhed og lever- og nyresvigt. Og fordi methanol opløses i vand, udgør det en trussel mod underjordiske drikkevandsforsyninger. Det gør olieselskaberne nervøse; de kæmper allerede for at få det methanol-baserede brændstofadditiv MTBE (methyl tertiær butylether) ud af deres benzin, efter at kemikaliet, der smager dårligt, begyndte at dukke op i Californiens drikkevand.

Den mest oplagte løsning er selvfølgelig direkte at bruge brint som brændstof. Det ville eliminere behovet for en reformer såvel som den klimaopvarmende kuldioxid, den genererer (selvom der stadig ville blive frigivet noget CO2 under brintproduktion fra fossile brændstoffer, den mest almindelige metode i dag). Problemet er, at mens brint pakker mere energi efter vægt end noget andet brændstof (ca. tre gange mere end benzin), er det svært at fylde meget af denne energiske gas i en brændstoftank. Pak en kommercielt tilgængelig komprimeret gastank med brint, og den vil tage dit køretøj knap 150 kilometer - ikke længere end nutidens bedste bilbatterier. Brint er også det mindste af molekyler og glider gennem de mindste huller - et bekymrende træk på grund af dets karakteristiske brændbarhed. (Husker du Hindenburg?) DaimlerChrysler skubbede en demobil 450 kilometer ved hjælp af en flydende brinttank, men den kryogene teknologi til at opbevare brændstof ved -253 C (kun 20 grader over det absolutte nulpunkt) er ikke moden til massemarkeder. Og held og lykke med at finde en brinttankstation - der er kun et halvt dusin på verdensplan.

Tilgængeligheden af ​​brint kan dog blive mindre af et problem, efterhånden som store olieselskaber tager imod udfordringen med at distribuere gassen. Graham Batcheler, præsident for Texaco Energy Systems, oliegigantens datterselskab for avancerede brændstoffer i Houston, siger, at virksomheden tror, ​​at brændselscellen vil erstatte forbrændingsmotoren på længere sigt. Han anser det for uundgåeligt, at chauffører fylder brint - og han vil have dem til at gøre det på en Texaco-station. I stedet for at kæmpe for at beskytte sin benzinfranchise, investerer Texaco i nøgleteknologien til at gøre brintfyring mulig: avancerede lagertanke.

En mulighed for at løse problemet med brintpakning er simpelthen at gentænke kompression. Stærkere tanke kunne komprimere brinten til større tryk, eller radikalt redesignede køretøjsrammer kunne rumme massive, men mærkeligt formede tanke. En anden mulighed er at pakke tanke fulde af materialer, der binder brint, hvilket bremser molekylerne uden at gøre gassen flydende. Grafitfibre med indviklede nanostrukturer har for eksempel vist sig at absorbere mere end 20 vægtprocent brint, hvilket gør det muligt at stoppe langt mere af gassen i en tank.

Forbrugende visioner

I lyset af udfordringerne erkender Johannes Ebner, lederen i DaimlerChryslers brændselscelleprogram med ansvar for brændstofinfrastruktur, at virksomhedens tidligere skøn, at sætte 20.000 til 40.000 af bilerne på vejen i 2004 nu ser urealistisk ud: Det vil være en meget begrænset produktion. Ballard, DaimlerChrysler og Ford vil begynde at teste deres teknologier på forbrugere næste år i Californien, hvor skrappe krav til forureningsfrie køretøjer skal træde i kraft i 2003. California Fuel Cell Program (dannet af disse tre virksomheder sammen med andre bilproducenter, brændstof) celleproducenter og adskillige store olieselskaber) planlægger at lægge 60 brændselscellebiler og busser på vejbetagende brændselscellebiler ud af hænderne på omhyggelige ingeniører og i hænderne på krævende forbrugere.

Disse californiske biler vil ligesom Commander II blive specialbygget. Den virkelige test for brændselsceller vil komme, når masseproducerede biler kommer på vejen - hvilket både Ford og DaimlerChrysler har lovet at gøre i 2004 på trods af at de vidste, at de vil tabe penge på dem. Vi har udtalt, at vi vil have køretøjer i offentlighedens hænder, og der er programmer på plads til at gøre det, men det betyder ikke, at de er kommercielt levedygtige, siger Fords Kopf. Han indrømmer, at brændselscellebiler nu er meget dyrere end batteridrevne biler, som i sig selv ikke er billige. Ford ville skulle opkræve mindst $35.000 for at dække omkostningerne på sin batteridrevne Ranger pickup, næsten tre gange mere end det prisskilt, der giver den en fortjeneste for en no-frills forbrændingsmotor Ranger.

Hvorfor lægger bilproducenter planer om at tabe penge? Kopf siger, at der altid er mulighed for, at teknologien vil betale sig hurtigere end forventet. Ustabilitet i Mellemøsten kunne f.eks. hæve benzinen til 5 USD pr. gallon, hvilket får amerikanerne til at søge efter brændstofeffektivitet, ligesom oliekriserne gjorde i 1970'erne. Vi ønsker at have udviklet en kerneteknologisk kapacitet - at vide, hvor problemerne er, hvor vi skal forenkle. Vi vil gerne være forberedte.

Men han siger, at den ultimative motivation er langsigtet. Brændselscellen lover at gøre bilen bæredygtig, reducere forureningen og befri den fra oliepolitikken - og sikre, at Ford kan gøre lige så meget ud af et drab i dette århundrede, som det gjorde i det sidste. Brændselscellernes store appel er løftet om nul udstødningsemissioner, potentielt ingen drivhusgasemissioner og energiuafhængighed, siger Kopf. Det er de hellige grale i bilindustrien.

Når man ser ind i fremtiden, forestiller Kopf sig en verden, hvor elektricitet fra vedvarende kilder såsom vind- og solceller genererer brint fra vand - det omvendte af brændselscelleprocessen - for at drive en flåde af brændselscellekøretøjer. Du kunne lave et brændstofsystem og et køretøj, der producerer nul drivhusgasser og nul udstødningsemissioner - et brint-ilt-vand-kredsløb, der er bæredygtigt for evigt. Det er det ultimative mål.

Man kunne forvente, at den slags snak vil forurolige lederne hos DaimlerChrysler, som for nylig annoncerede et nedbrudsprogram for at skære 2 milliarder dollars fra driften for at dæmpe aktionærernes angst over faldende aktiekurser og svage afkast. Men Ebner siger, at DaimlerChrysler-formand Juergen Schrempp personligt beskytter brændselscelleprogrammets kreditlinje på $1 milliard som en pipeline til fremtiden. Schrempps vision lyder endnu mere messiansk end Kopfs.

I en nylig tale til World Engineers Convention bønfaldt ingeniøren, der blev forretningsleder, ingeniører over hele verden om at kaste deres projekter ned og hoppe med på brændselscellevognen. Schrempps begrundelse? Sikre, at fremtidige generationer ikke bliver overvældet af globale klimaændringer og økonomiske dislokationer fra faldende olieforsyninger. Vi deler alle ansvaret for at udføre dette projekt, for ansvaret for at udføre dette projekt, for påtagelsen af ​​ansvar er en del af menneskets værdighed.

VIRKSOMHEDER STRATEGI PLANER DaimlerChrysler , Ballard Power Systems , og Ford Motor Samarbejde om at kommercialisere brændselsceller, brændstofprocessorer og elektriske drev. Ballard fokuserer på at reducere omkostningerne til brændselsceller, mens DaimlerChrysler og Ford demonstrerer integrerede køretøjer, der kører på komprimeret brint, flydende brint og methanol. Planlagt at demonstrere 30-40 køretøjer i Californien mellem 2001 og 2003. Design af modeller til begrænset produktion i 2004. GM og Toyota Samarbejde om elbiler. Begge virksomheder, førende inden for batteri- og benzin-elektriske hybridteknologier, har udviklet fuldt funktionelle brændselscelle-konceptbiler, brændselsceller og brintlagringssystemer. Forventer at have brændselscellebiler klar til kommercialisering i 2004. Løbende investeringer i benzinbrændstofprocessorer. Honda Bullish om sin ultra-rene forbrændingsteknologi, men investerer også i brændselsceller. Honda har bygget brændselscelle-konceptbiler med Ballard-stakke og proprietære stakke, men udstyr fylder bagerste passagerplads. Planlægger at have en pakke af teknologier klar til kommercialisering af brændselscellebiler inden 2003, men har endnu ikke annonceret produktionsplaner. Nissan Tilpassede sin batteridrevne stationcar til at bære Ballard-brændselsceller og en methanol-processor, men udstyret fylder bagerste passagerplads. Næste prototype for at opbevare udstyr under gulvet. Kunne producere brændselscellebiler så tidligt som i 2003. BMW, International Fuel Cells og Delphi Automotive Systems samarbejder om at udskifte batterier med brændselscelle-hjælpekraftenheder (APU'er) i forbrændingsdrevne biler. Planlægger at kommercialisere brændselscelle-APU'er inden 2005.

skjule