Fuel Cells in Cars : A Techno-economical Well-to-Wheel Analysis of Hydrogen as Fuel

Several technical solutions are ready to step forward as the new generation of propellant, and this report aims to explore the possibility of commercializing fuel cell cars. The report is based on current research and data from today's technology and engineering solutions that are estimated to be commercially realized before 2020.A mapping of today’s different fuel cell options has shown that the most suitable fuel cell option is the Proton Exchange Membrane Fuel Cell, which uses hydrogen as fuel. The report is focusing on a techno-economic well-to-wheel analysis of hydrogen and the energy balance and costs in a system perspective. The basis for this analysis consists of two centralized methods of production, steam methane reforming (SMR), and alkaline water electrolysis. The distribution infrastructure consists of an extensive pipeline system along with truck transport of compressed hydrogen to filling stations.Hydrogen has an energy balance of about 0,5 regardless of production method. This means that about twice as much energy is required then will be converted into useful energy. This compared with gasoline which has an energy balance of about 2 means the need is about 4 times as much energy to replace all gasoline cars with fuel cell cars with hydrogen as fuel.The cost analysis shows that steam methane reforming is significantly less expensive than electrolysis. The operating cost of a fuel cell car is, regardless of production method of hydrogen, higher than the operating cost of a gasoline car. Different future scenarios show that fuel cell cars will not be cost comparable with gasoline cars by 2020. The results in the base scenario show that fuel cell cars, with hydrogen produced by SMR, could be a cost-equivalent alternative in 2033.The results presented show that a fuel cell car commercialization is unlikely in the near future, because today's gasoline-powered alternative is considerably less expensive than fuel cell alternatives. Several alternative infrastructures, such as decentralized production could give different results, and it is therefore important that further analyzes are conducted in this area.Hotet om peak oil och ständigt höjda oljepriser har, tillsammans med den globala uppvärmningen och krav på minskade utsläpp, inneburit att energiintensiva branscher och sektorer söker efter alternativa energilösningar. Detta gäller även transportsektorn som står för 23 % av de globala koldioxidutsläppen.Flertalet tekniska lösningar står redo att kliva fram som den nya generationens drivmedel och denna rapport syftar till att undersöka möjligheten att kommersialisera bränslecellsdrivna personbilar. Rapporten grundas på aktuell forskning och data från dagens teknik samt tekniska lösningar som bedöms vara kommersiellt realiserbara innan år 2020.En kartläggning av olika bränslecellsalternativ visar att den i dagsläget mest lämpade bränslecellen för personbilsdrift är Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), då den har hög effekttäthet, hög verkningsgrad och har visat sig fungera i flertalet prototyper. Dock består membranet till viss del av platina, vilket är en dyr och svårframställd metall. Det vanligaste drivmedlet för PEMFC är vätgas.Rapporten inkluderar en utförlig teknoekonomisk well-to-wheel analys av vätgasens energibalans och kostnadsstruktur. Infrastrukturen som ligger till grund för denna analys består av två olika centraliserade produktionsmetoder, ångreformering av naturgas (SMR) samt alkalisk vattenelektrolys, där den senare analyserats både som ett helt klimatneutralt alternativ, med el från vindkraft, och som ett icke klimatneutralt alternativ med el från en mix av kraftkällor. Distributionsinfrastrukturen består av ett utbyggt pipelinesystem tillsammans med lastbilstransport, som transporterar komprimerad vätgas till tankstationer.Bränslecells- och vätgasalternativet har en energibalans på ca 0,5 oavsett produktionsmetod. Det innebär att det krävs ungefär dubbelt så mycket energi i produktion och distributionen som omvandlas till nyttig energi i motorn. Jämförs detta med bensin som har en energibalans på ca 2, innebär det att det krävs ca 4 gånger så mycket energi om alla bensinbilar ska ersättas med bränslecellsbilar drivna på vätgas.Kostnadsanalysen visar att SMR är en betydligt billigare produktionsmetod än elektrolys och driftskostnaden för en bränslecellsdriven personbil är, oavsett produktionsmetod för vätgasen, högre än driftskostnaden för bensinbilen. Framtidsscenarion, baserade på ekonomisk utveckling för priset på personbilar, bränslepriser och bränsleförbrukning för bensin och vätgas visar att bränslecellsbilen inte kan konkurrera kostnadsmässigt med bensinbilen innan 2020. Huvudscenariot visar att år 2033 kan bränslecellsbilen med vätgas producerat genom SMR vara ett kostnadsmässigt likvärdigt alternativ. Detta är en lång tidsperiod (2012-2033) och det är omöjligt att idag förutse hur tekniken kommer att utvecklas på sådan lång sikt.De resultat som presenteras visar på en otrolighet i påståendet att en kommersialisering kan ske inom en snar framtid då de vätgasbaserade alternativen är betydligt mer kostsamma än dagens bensindrivna alternativ. Flera alternativa infrastrukturer, så som decentraliserad produktion skulle kunna ge andra resultat, och det är därför viktigt att vidare analyser genomförs på detta område