General Motors debuterar den batterielektriska Bolt, som lovar att
har en räckvidd på 200 mil och kostar cirka 30,000 XNUMX dollar. GM, CC BY

i ett försök att få igång användningen av bränslecellselektriska fordon, gjorde Toyota Motors tidigare denna månad mer än 5,600 XNUMX patent tillgänglig för andra bilproducenter. Några dagar senare introducerade General Motors elektrisk bult, ett elfordon konstruerat för att köra 200 miles på batterier.

Biltillverkare fortsätter samtidigt att utveckla ytterligare andra typer av elfordon: plug-in-hybrider och hybridelektricitet.

Elfordon är det mest lovande alternativet till konventionella bensin- och dieseldrivna bilar. Men hur är varje teknik annorlunda? Och vilka är de relativa fördelarna och kommersiella utmaningarna för var och en?

Hur vi kom hit

Låt oss börja med likheter. Elfordon med plug-in-batterier (BEV), hybridelektriska fordon (HEVs), plug-in-hybrid-elfordon (PHEVs) och vätebränslecells-elfordon (FCEVs) är alla elfordon. De drivs alla av en elmotor och har batterier för att lagra eller leverera el efter behov och absorbera energi när fordonet bromsas.

Vissa av dessa fordon kan också generera elektricitet ombord, antingen genom en bensindriven förbränningsmotor eller en vätgasdriven bränslecell.

De representerar alla ett fundamentalt avbrott från de bensinförbränningsfordon vi kör idag på tre sätt: drivlinan är elektrisk snarare än mekanisk; motorn under huven är elektrokemisk istället för förbränningsbaserad; och bränslet är elektricitet och väte, snarare än bensin.

Krafterna bakom dessa tekniska förändringar började i slutet av 1980-talet med biltillverkarnas erkännande att den långsiktiga tillgången på petroleum är begränsad och att en alternativ fordonsplattform och bränsle skulle behövas för att säkerställa en hållbar framtida affärsmodell. Vätgas valdes ut som bränsle och en 25-årig väg för kommersialisering av bränslecellfordon etablerades.

Sedan 1990 har ytterligare tre krafter dykt upp för att ytterligare bekräfta beslutet att inrikta sig på vätebränslecellfordonet som framtidens produkt, inklusive klimatförändringar, politik som främjar bränsleoberoende och luftkvalitetsbestämmelser, särskilt i Kalifornien.

Batteri elektriska fordon (BEV)

Under de senaste fem åren har det dock skett en återuppgång av batteridrivna elfordon, som enbart är beroende av batterikraft. Exempel inkluderar Nissan Leaf, GM Spark och Kia Soul. Efter 40 till 60 miles är batterierna urladdade och måste laddas genom att anslutas till en bostadskrets eller 220-volts specialbyggd laddare på ett kommersiellt center eller en arbetsplats. Laddningstiden beror på spänningen, laddarens teknologi och batteriets "laddningsläge" (dvs. hur mycket batteriet har tömts) men kräver vanligtvis en till sex timmar för att ladda fordonet helt.

En BEV är attraktiv eftersom dess räckvidd klarar de flesta resor som tas av allmänheten, laddning hemma är bekvämt och körningen är vibrationsfri och tyst. Fordonets storlek är relativt liten, vilket ger god manövrerbarhet och relativt enkel parkering, och det finns inga luftföroreningar under körning. BEV:er har också potential att balansera elnätet genom att ladda över natten när nätresurserna är underutnyttjade.

Att arbeta mot BEV är den tid som krävs för att ladda fordonet och räckviddsångesten – det vill säga oro över begränsad körsträcka – som förare upplever, vilket effektivt minskar fordonets användbara räckvidd. Laddning kan också stressa elnätet och det finns fall där det inte finns någon laddningsinfrastruktur tillgänglig, särskilt för människor som bor i lägenheter.
Efter Kaliforniens nollutsläppsmandat för fordon kommersialiserades BEV först på 1990-talet men marknaden avtog på 2000-talet. Med ett antal personbilar tillgängliga för försäljning eller leasing testas marknaden idag för att bedöma allmänhetens efterfrågan på detta begränsade, men bekväma fordon. Framsteg inom batteriteknik har potential att öka räckvidden.

Hybrid Electric Vehicles (HEV)

Hybridelfordon är en BEV med en bensinförbränningsmotor ombord för att generera elektricitet och flytta bilen i samband med elmotorn. De kan ge samma räckvidd på 300 mil som människor förväntar sig med ett konventionellt bensinfordon. Och med avancerad mjukvarukontroll interagerar förbränningsmotorn med batterierna för att uppnå hög verkningsgrad och låga utsläpp av föroreningar.

HEV-bilar har bjudits ut till försäljning i USA sedan 2000, med Prius, som först introducerades av Toyota i Japan 1997, ett framträdande exempel. Under 2012 och 2013 var Prius det mest sålda fordonet i Kalifornien med över sju miljoner sålda fordon, vilket återspeglar konsumenternas anmärkningsvärt positiva acceptans av fordonet.

Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV)

PHEVs är en HEV med extra batterikapacitet som kan ge en elektrisk körräckvidd på mellan tio och 60 miles. Chevy Volt, till exempel, kan köra nästan 40 miles på batterikraft innan en bensingenerator sätter igång. Detta möjliggör bekvämligheten med att ladda batterierna över natten hemma och en daglig elektrisk räckvidd som majoriteten av den amerikanska allmänheten inte överskrider. Och PHEV ger räckvidden på 300 mil som allmänheten är van vid. En plug-in Prius har ett större batteri och har en helelektrisk
räckvidd på cirka 10 mil innan du går in i hybridläge. Toyota 

Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV)

Bränslecellsfordon är hybridelektriska fordon med två stora skillnader. En bränslecell, en elektrokemisk anordning som tar ett bränsle, såsom väte, och syre från luften för att generera elektricitet, ersätter bensinmotorn under huven. Bränslecellen har anmärkningsvärt hög verkningsgrad (tre gånger så stor som en konventionell bensinbil) och inga utsläpp av luftföroreningar vid körning. Produkten av reaktionen är vatten, som släpps ut genom avgasröret med kväve och lite syre kvar från luften. Och istället för en bensintank finns det vätgaslagringstankar. Tankningstiden för ett bränslecellsfordon är jämförbar med en konventionell bensinbil och bränsle kan köpas inhemskt.

Några av utmaningarna förknippade med bränslecellsfordon är det begränsade antalet vätgasstationer nationellt. Kalifornien har flest vätgasstationer i USA, med 51 som beräknas vara i drift i slutet av 2015, över 70 i slutet av 2017 och 100 till 2020. Sextioåtta stationer anses vara det initiala minimumet för att stödja acceptans av bränslecell fordon i staten.

Går framåt

Marknaden upptäcker att BEV är ett attraktivt komplement (inte ersättning) till det konventionella bensinfordonet. De bensindrivna HEV och PHEV håller på att växa fram för att möta miljökraven samtidigt som de bibehåller den övergripande körupplevelsen av räckvidd och storlek som marknaden är van vid.

Kostnaden för fordonen och kostnaden för att köra fordonen är, för alla praktiska ändamål, konkurrenskraftiga och övertygande. Beroende på kostnaden för el och kostnaden för bensin, kan kostnaden per mil gynna den ena eller den andra. PHEV ger kunden möjlighet att använda antingen el eller bensin.

Bränslecells-elbilen växer fram som en naturlig utveckling av hybrid- och plug-in-elhybriden. Som ett resultat kan man förutse att BEV och FCEV representerar nästa generations alternativ till det konventionella och hybridiserade bensinfordonet för att uppfylla lätta transportbehov. BEV ger bekvämlighet och manövrerbarhet, och FCEV ger räckvidd, flexibilitet i fordonsstorlek och snabb bränslepåfyllning. Båda fordonen uppnår bränsleoberoende, en separation från geopolitik och attraktiva miljöegenskaper.

Inköpskostnaden och driftskostnaden för batteridrivna el- och bränslecellsfordon är jämförbara idag. Det är troligt att kostnaden för vätgas kommer att minska i framtiden på grund av konkurrensen på marknaden och tekniska framsteg och att kostnaden för el kommer att öka. Det betyder att kostnaden per mil för att driva ett elfordon med bränsleceller, jämfört med ett elfordon med batteri, sannolikt kommer att bli lägre.

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen
Läs ursprungliga artikeln.

Om författaren

Dr. Scott Samuelsen är professor i mekanisk, rymd- och miljöteknik vid University of California, Irvine (UCI). Han är direktör för Advanced Power and Energy Program, UCI Combustion Laboratory och National Fuel Cell Research Center för US Department of Energy och California Energy Commission. Professor Samuelsen är medordförande för California Stationary Fuel Cell Collaborative, en unik offentlig-privat allians som tar itu med kritisk teknologi och marknadshinder för att påskynda kommersialiseringen av avancerade kraftgenereringssystem.