Etter testen av hydrogenbilen Toyota Mirai ser vi i denne artikkelen nærmere på hva drivstoffet koster, hvor bærekraftig det er og hvor mye energi som går med.

Oppfatningene i sosiale medier og kommentarfelt var delte etter at vi publiserte testen av Toyota Mirai.

I senere tid har det også blusset opp en debatt om hydrogen i media, relatert til mengden offentlige midler som har gått med – særlig i Akershus. Bærum-lokalpolitikerne Svein Medhus og Rolv Guddal står bak ett av de nyeste og kritiske innleggene, i Budstikka, der de riktignok åpner for at hydrogen kan benyttes i tyngre kjøretøy.

Det har også kommet fram at hydrogenstasjondriver HYOP er avhengig av ytterligere støtte for å unngå konkurs (betalingsartikkel). Samtidig har investoren Øystein Stray Spetalen – blant annet kjent for å nedsnakke elbilnylig solgt seg helt ut av NEL. Måneden før vant selskapet en kontrakt i California.

I denne oppfølgingsartikkelen ser vi på hydrogenbilens relative energieffektivitet og kostnadsbilde mot både fossil- og elbiler. Målet: Å presentere et overordnet, balansert og lettfattelig bilde.

Hydrogenets renhet er selvsagt et poeng når man skal diskutere hvor bærekraftig hydrogenbilen er. Det avgjørende er hvor man henter energien fra, at man har nok av denne energien og at den er fornybar. Sagt på en annen måte: Mange tror hydrogenbilen bare medfører utslipp av vanndamp. Samtidig verserer feilaktige myter om at elbilen går på kullkraft i Norge.

Det gir et interessant dilemma for nettets mytespredere: Hva skjer dersom man benytter kullkraft til å produsere hydrogen via elektrolyse?

Hva er den mest optimale kilden?

Det finnes en rekke framstillingsmåter for hydrogen, som altså er en energibærer – ikke en energikilde. Hydrogen finnes ikke naturlig i naturen.

På Uno-X-stasjonen i Sandvika kommer hydrogenet fra Praxair på Rjukan, og kjøres på lastebil fram til den lokale og solcellestøttede elektrolysøren er på plass. På HYOP-stasjonen på Herøya, der vi fylte Mirai under vår test, kommer hydrogenet som biprodukt fra petrokjemisk industri på nærliggende Rafnes – i likhet med overskuddshydrogen fra industrielle prosesser ellers i verden.

Ståle Frydenlund / elbil.no

Så lenge man aksepterer industriell produksjon, er dette hydrogenet et biprodukt som ellers vil gå til kråka. Dermed er det fornuftig å sette det i arbeid. Spørsmålet da blir ganske enkelt; hvor?

I dag er disse to de andre mest aktuelle produksjonsmetodene:

  • Metoden som gir reelle nullutslipp er lokal vannelektrolyse (ingen behov for CO2-drivende transport av drivstoffet) ved hjelp av vann og fornybar energi. Utfordringen også her er at man må ha store mengder energi til rådighet; i praksis et overskudd som ikke kommer bedre til nytte et annet sted.
  • Petroleum (naturgass og olje) er det vanligste råstoffet for framstilling av hydrogen. Hydrokarboner brukes til å avspalte hydrogen kjemisk. I den mest vanlige metoden, dampreformering, reagerer hydrokarbonene med vanndamp sammen med en nikkelkatalysator (typisk ved 800 grader).

På verdensbasis er sistnevnte mest vanlig, men gir ikke de nødvendige CO2-reduksjonene. De ulike produksjonsmetodene er beskrevet her.

Så mye mer energi går med

Det er såkalt «well to wheel»-effektivitet, eller «energikilde til hjul» på ikke veldig godt norsk, som gjerne skaper den hissigste hydrogendebatten i Norge, ved siden av at elbiler og hydrogenbiler konkurrerer om den samme potten til infrastruktur fra Enova.

Hovedgrunnen er at hydrogenbiler kort oppsummert bruker tre ganger mer energi enn en stor elbil på samme kjørte distanse (ved bruk av fornybar norsk vannkraft og elektrolyse). Dersom man skal bruke så mye mer energi, må man altså presentere en god forklaring. Ikke minst må man sørge for at mest mulig av energien er fornybar.

Energiintensiteten framgår av denne oppstillingen:

  • Det estimeres at det går med minst 60 kWh (energi) til å produsere, komprimere (til 700 bar) og kjøle en kilo hydrogen. Det betyr et «well to wheel»-forbruk på minimum 6,6 kWh/mil i vår test.
  • Dette betyr altså at det går med minst 300 kWh (energi) for å fylle full tank (5 kg) på Mirai. Full tank på Mirai koster 450 kroner med dagens dispenserpris.
  • Full tank kan gi 40-50 mil rekkevidde. I verste fall snakker vi om forbruk i området ti kWh pr. mil, gitt at rekkevidden går ned mot 30 mil.

Om vi legger best case til grunn for hydrogenbilen, nemlig 500 kilometer, gir det altså seks kWh/mil.

Ståle Frydenlund / elbil.no

Ved hjelp av 300 kWh kan en elbil, til sammenligning og avhengig av størrelse, nøkternt vurdert kjøre 1.200-2.000 kilometer (gjennomsnittsforbruk gjennom året på 1,5-2,5 kWh/mil med elbiler som Hyundai IONIQ og Tesla Model S).

I denne sammenheng må overførings- og ladetap for elbilene, beregnet til 10-15 prosent, tas med i betraktningen. Dette illustrerer altså det praktiske merforbruket.

Noe mer effektivt enn fossilt drivstoff

Om vi sammenligner med fossilt, regner man med at det kan gå med opptil 1 kWh energi pr. liter raffinert drivstoff. Én beregning er gjort i denne videoen.

  • I en liter bensin er det en energimengde på 9,1 kWh. Hvis man tar med raffinering (1 kWh/liter) og legger til grunn et gjennomsnittsforbruk på 0,8 liter/mil, tilsvarer dette 8,1 kWh.
  • I en liter diesel er det en energimengde på 10,1 kWh. Hvis man tar med raffinering (1 kWh/liter) og legger til grunn et gjennomsnittsforbruk på 0,65 liter/mil (typisk 20 prosent lavere forbruk enn med bensin), tilsvarer dette 7,2 kWh.

For de fossile drivlinjene er energieffektiviteten typisk 25-40 prosent, hvorav diesel oppnår de beste tallene. Uansett forsvinner 60-75 prosent av tilført energi i friksjon og varmetap.

Virkningsgraden til framdrift i hydrogen er anslått til 35-40 prosent (ved elektrolyse går anslagsvis 40 prosent av primærenergien tapt før hydrogenet er på tanken). Dermed er hydrogen marginalt mer energieffektivt enn bruk av fossile drivstoff. Fordelen er at det kan skje uten utslipp.

Men holder det som argument for hydrogen som drivstoff, når vi vet at en batterielektrisk drivlinje kan levere 85-90 prosent effektivitet og i tillegg er i stand til å regenerere mye bevegelsesenergi? Les videre.

Balansering viktigere enn energieffektivitet?

Når man har uregulerbar fornybar energi fra vind og sol for hånden, mener enkelte det er viktigere med effektiv energibruk enn energieffektivitet i seg selv. Sagt på en annen måte: Dersom tilgangen på fornybar energi er «uendelig», kan man muligens tillate seg å sløse.

Vi vet allerede at elbiler kan balansere nettet. Det samme kan også sies om hydrogen. Men tidsperspektivet for de to er ulikt:

Jesper Tornbjerg

Elbilen er svært godt egnet til raske justeringer i forbruket hos mange forbrukere, og på sikt også som korttidslager for å stabilisere nettet (ved at elbilene fungerer som mellomlager, for så å sende strømmen ut på nettet ved forbrukstopper).

Hydrogenproduksjon kan egne seg til å justere få og store forbrukere opp og ned, samt til lagring av ferskvaren strøm over lengre tid. I praksis handler det om å lagre elektrisk energi på tank for å bruke den senere.

I land uten vannkraft er overskuddskraft allerede en betydelig utfordring i dag, med forholdsvis lav – dog sterkt økende – fornybarandel (for eksempel Danmark og Tyskland).

Krever overskuddskapasitet

Når produksjonen av strøm går for fullt, kan den bli høyere enn forbruket . Dette fører til fenomenet negativ strømpris, ved at forbrukere faktisk får betalt for å bruke strømmen. Når disse landenes fornybarandel på sikt skal opp til 100 prosent, har de en utfordring som kan være vanskelig å få øye på i Norge.

I disse situasjonene kan det være fornuftig å «lagre strømmen» som hydrogen, selv om det til syvende og sist innebærer både sløsing (en rekke konverteringer av energien) og høyere pris for sluttbruker (målt mot strømprisen i nettet). En annen mulig løsning, der gamle kullgruver kan brukes som «batteri», vurderes teknologisk i Tyskland.

Statkraft

I Norge har vi i dag så stor magasinkapasitet (bildet: Oddatjønn dam i Rogaland) at det sjelden vil være overskuddsproduksjon – selv ikke med storstilt utbygging av sol- og vindkraft. Dermed er det lite trolig med store mengder overskuddsenergi å produsere hydrogen fra; med mindre man ser for seg vindkraftparker som ikke er tilkoblet nettet og produserer utelukkende hydrogen.

I Norge kan det faktisk være mer nærliggende å bruke overskuddskraft til å reversere en turbin og pumpe vann opp i magasinet igjen.

Med de nye sjøkablene til UK og Tyskland kan det også være et opplagt valg å eksportere mer strøm, eller snarere å bruke Norges infrastruktur til å balansere Europas kraftnett. Samtidig kan dette bli mindre lønnsomt enn mange har sett for seg, også på grunn av overføringstap.

Livsløpsanalysen: Minner om elbiler

Grunnleggende studier av den foreliggende livsløpsanalysen (LCA) for Toyota Mirai viser at den kan være bedre enn de fossile alternativene Toyota har valgt å sammenligne med. Forutsetningen er at hydrogenet kommer fra fornybare kilder. Elbilen tåler på sin side sammenligning med fossilbil selv om den skulle lades på ren kullkraft.

I en slik ekstrem sammenligning ville hydrogen (basert på kull) framstå som en klimakatastrofe. LCA-en hevder at Mirai på fornybart reduserer potensialet for global oppvarming med 40-70 prosent mot fossilbilene i et livsløp (se figur under).

Samtidig peker flere livsløpsanalyser, som den TÜV Süd-utarbeidede for Mercedes-Benz B-Klasse, på at den elektriske varianten er 64 prosent bedre enn sin fossile bror når den lades med ren fornybar kraft. Selv med europeisk kraftmiks som føde er den mye bedre. Andre analyser viser større besparelser.

Produksjonen av hydrogentankene, i karbonforsterket plast, samt rammen brenselcellestablen er montert i, er imidlertid CO2-intensiv. I livsløpsanalysen skriver Toyota at samarbeid mellom bil- og råvareprodusenter er nøkkelen til å forbedre hydrogenbilen i hele livsløpet:

«Selv om tilnærmingen – med bruk av lette materialer – betyr at drivstofforbruket går ned i bruksfasen, skal dette vurderes også mot reduksjon i produksjonsfasen».

Institutt for miljøvitenskap ved Leiden universitet i Nederland har også gjort en konsekvensutredning på Mirai. Den slo ut sterkere på abiotisk uttømming (ikke-fornybare råstoffer) enn på potensial for global oppvarming (CO2, benevnt som GWP – global warming potential).

Toyota peker på to grunner til dette: Den ene at hydrogenbil krever råstoffer som platina. Den andre at det ikke er definert standardiserte måter å gjenvinne materialet etter bruk (selv om det skjer). Derfor vurderes redusert bruk av edle metaller opp mot mengden som finnes på jorda, står det i analysen.

Når det gjelder bruksfasen (figuren over viser livsløpsutslipp, NG = naturgass, RE = fornybart, HV = hybridbil og GV = bensinbil), er livsløpsanalysen nokså vag på hvor hydrogenet skal komme fra:

«Hydrogen fra naturgass konkurrerer fortsatt med hybridbiler, som har oppnådd betydelig effektivitet med fossilt drivstoff. Vi forventer videre forbedring av veiene til hydrogen og kjøretøyets effektivitet».

Når det gjelder diskusjonen om levetid på batterier i elbiler, og garantiene som gis, er det også interessant å betrakte garantien Toyota gir på hydrogentankenes levetid: Like lenge – altså åtte år (eller 160.000 km).

Det innebærer i praksis at dette er tiden produsenten tar ansvar for. Temaet er diskutert i denne artikkelen hos InsideEVs.

Økonomi: Sammenligning av ulike drivstoff

Under vår test fylte vi hydrogen for 89,90 kr/kg, og endte opp med et blandet forbruk gjennom hele perioden på 1,1 kg/100 km. Det ga en milkostnad på ti kroner.

Om vi legger Statistisk sentralbyrås gjennomsnittspriser (i kroner) for henholdsvis bensin og diesel de siste tre årene (2014-2016) til grunn, får vi dette bildet: 14,35 og 12,23.

  • Hvis vi legger til grunn at en gjennomsnittlig bensinbil bruker 0,8 liter pr. mil, gir dette en milkostnad i perioden på 11,48 kroner.
  • En dieselbil bruker typisk 20 prosent mindre drivstoff. Med et gjennomsnitt på 0,65 liter pr. mil, gir dette en milkostnad på åtte kroner.

Ståle Frydenlund / elbil.no

Enkel hoderegning tilsier dermed at hydrogen i testperioden plasserte seg midt mellom bensin og diesel (kan komme vesentlig bedre ut ved lavere forbruk). Drivstoffet kan derfor kanskje synes attraktivt for dagens eiere av slike biler.

Samtidig koster en kilowattime (kWh) rundt regnet en krone til et hvilket som helst hjem. Når vi vet at elbiler gjennomsnittlig forbruker mellom én og 2,5 kWh, avhengig av størrelse og årstid, gir dette en milkostnad på maksimalt 2,50 – inkludert kraftpris, nettleie og avgift.

Inkludert overførings- og ladetap (maks 15 prosent) øker kostnaden i maksleiet til anslagsvis 2,90 kroner. Selv med dyrere strøm er det langt igjen til fornybar energi i sin enkleste form er utfordret.

En økonomisk utfordring

Det er altså et faktum at hydrogen i dagens energisituasjon koster nær fire ganger så mye pr. mil som strømmen til en stor elbil (med tilsvarende forutsetninger for årstid og forbruk).

Dersom man benytter hurtiglading (50 kW DC) på en hvilken som helst elbil, som typisk koster 2,50 pr. minutt (0-80 prosent), blir forskjellen vesentlig mindre.

  • Ved full utnyttelse: 3 kr/kWh
  • Ved 40 kW: 3,75 kr/kWh
  • Ved 30 kW: 5 kr/kWh

Avhengig av elbilmodell, forbruk og årstid, gir disse variasjonene (nøkternt estimert) en milkostnad på 5-10 kroner ved bruk av kommersielle hurtigladetjenester.

Ståle Frydenlund / elbil.no

Dette utgjør 50 til 100 prosent av hydrogenkostnad, men med høy andel hjemmelading vil de færreste elbilister oppleve dette prisnivået som et problem. Dessuten kan elbilister i praksis lade nær sagt hvor som helst, mens det i dag bare finnes en håndfull hydrogenstasjoner i en viss radius rundt Oslo.

Ut fra dagens prisbilde er det neppe noen særlig tvil om at hydrogen framstår som mest attraktivt for en som har kjørt fossilbil og aksepterer prisnivået på drivstoffet.

Men heller ikke dette er gitt; når hydrogen faktisk i mange tilfeller blir dyrere for hver kjørte mil.