Grön vätgas framstår som en viktig potentiell lösning för att minska koldioxidutsläppen från transporter, men nya rön om energieffektivitet visar att den bör användas strategiskt i tunga väg-, järnvägs-, flyg- och sjötransporter, enligt en studie från University of Michigan.
Grön vätgas produceras genom elektrolys med förnybar energi för att spjälka vatten till vätgas och syre. Den kan användas direkt eller i syntetiska bränslen, även kallade e-fuels, för att minska koldioxidutsläppen från väg-, järnvägs-, sjö- och flygtransporter. Transportsektorn står för cirka 22% av de globala och 37% av de amerikanska koldioxidutsläppen från fossila bränslen.
För att motverka klimatförändringarna är det avgörande att minska koldioxidutsläppen från transporter – både passagerar- och godstransporter, enligt forskarna, som beräknade den totala systemets energieffektivitet genom att använda grön vätgas direkt, eller indirekt i e-bränslen, för att driva flygplan, tåg, bilar och fartyg. Systemets energieffektivitet mäter den energi som används för att driva hjulen för marktransporter och dragkraften för flygplan och fartyg i förhållande till den totala förnybara elenergi som investerats.
Forskarna vid U-M beaktade både direkt användning av vätgas i motorer eller bränsleceller och indirekt användning av vätgas i form av e-bränslen som e-bensin, blankdiesel, e-jetbränsle, e-metanol och e-ammoniak. När de jämförde dessa användningsområden med batteridrivna alternativ fann de att systemets ineffektivitet vid produktion, lagring, transport, dispensering och användning av vätgas eller e-bränsle leder till en energiförlust på cirka 80-90% av den initiala elektriska insatsen.
Däremot är eldrivna transporter cirka tre till åtta gånger mer effektiva än att använda vätgas direkt eller i e-bränslen. Resultaten kommer att publiceras online den 7 augusti och i tryckt form den 21 augusti i tidskriften Joule.
”Vi har ett brådskande behov av att minska koldioxidutsläppen från transporter, med tanke på de negativa effekter vi ser från klimatförändringarna, som bara kommer att intensifieras”, säger Greg Keoleian, en av de seniora författarna till artikeln och co-direktör för U-M:s MI Hydrogen-initiativ. ”Vi undersöker var vätgas kan spela en roll genom att titta på energin för att hjälpa till att styra utbyggnaden tillsammans med andra faktorer som kostnad, tankningstid, räckvidd och säkerhet.”
Studien genomfördes som en del av U-M:s MI Hydrogen-initiativ, som syftar till att främja samarbete mellan U-M-forskare, samhällsgrupper, myndigheter och industripartners för att skapa vätgaslösningar som påskyndar övergången till ren energi. I forskargruppen ingick forskare från Center for Sustainable Systems, Michigan Engineerings Department of Aerospace Engineering och Department of Naval Architecture and Marine Engineering.
”Vi fann att förnybara elkällor i USA är otillräckliga för att stödja vätgasproduktion för lätta fordon. Grön vätgas bör användas strategiskt för tunga väg-, järnvägs-, flyg- och sjötransporter där elektriska alternativ begränsas av belastning och räckvidd”, säger Tim Wallington, försteförfattare till rapporten och forskningsspecialist vid Center for Sustainable Systems vid U-M School for Environment and Sustainability.
Enligt Wallington skulle batterier dock inte fungera för tunga transportfordon som behöver köra långa sträckor. Batterier är för tunga och för stora för att driva en flygresa på mer än 30 mil, för att skicka ett fraktfartyg över ett hav eller för att driva ett tåg över en kontinent.
Enligt forskarna är vätgas eller e-bränslen mer lämpliga som energikällor för dessa tunga transportapplikationer. Att använda vätgas som en direkt bränslekälla skulle kräva stora förändringar i tankning och infrastruktur. Genom att använda vätgasbaserade e-bränslen skulle dessa förändringar undvikas, men i de flesta fall är de cirka 20-50% mindre energieffektiva än direkt användning av grön vätgas.
För att karakterisera systemeffektiviteten och visualisera energitillförseln och energiförlusterna för varje vätgasväg utvecklade forskargruppen en uppsättning med 25 Sankey-diagram. Diagrammen utgår från förnybar el och följer energiflödena från vätgasproduktion och leverans till slutanvändningen i en bränslecell, förbränningsmotor eller turbofan i flygplan. Dessa vätgasvägar jämfördes med en annan uppsättning av 6 diagram för alla elektriska alternativ.
Forskarna mätte också energiintensiteten för varje vätgasväg, vilket är hur mycket förnybar energi som krävs för att flytta gods i tonkilometer eller människor i passagerarmilometer för alla större transportsätt.
”Det vi fann var att trenderna här följer trenderna för energiintensiteten i petroleumbaserade transporter: med vätgas är järnväg och sjöfart mest effektiva, medan flygplan är minst effektiva eftersom man måste hålla vikten uppe i luften”, säger Keoleian, som också är professor i hållbara system. ”Ur ett hållbart transportperspektiv vill man använda de mest effektiva och minst energikrävande transportmedlen. Förnybar el är en knapp resurs, så vi måste använda den på ett klokt sätt”
Medförfattare till studien är doktoranden Maxwell Woody och forskningsspecialisten Geoffrey Lewis vid Center for Sustainable Systems, doktoranden Eytan Adler och professor Joaquim Martins vid U-M Department of Aerospace Engineering samt Matthew Collette, professor i marinarkitektur och marinteknik.
För mer information: Timothy J. Wallington et al, Green hydrogen pathways, energy efficiencies, and intensities for ground, air, and marine transportation, Joule (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.07.012
