Analysis on the potential of novel hydrogen fuel cell vehicle architectures for automotive applications

Abstract

[ES] Este estudio está enfocado al análisis del potencial de nuevas arquitecturas de vehículos de pila de combustible (FCV) de H2 para incrementar el rendimiento y reducir las emisiones cradle-to-grave de gases de efecto invernadero (GHG-100) y NOx, con respecto a los FCV convencionales. Para ello, se llevarán a cabo tres estudios diferentes, cada uno correspondiente a una publicación distinta. En el primer estudio, se aplicará la metodología del análisis del ciclo de vida (LCA) para evaluar el H2 como combustible para reducir las emisiones GHG-100 y NOx en un proceso cradle-to-grave, comparado frente a vehículos con motor de combustión interna alternativo (ICEV) alimentados por combustibles fósiles y vehículos eléctricos de batería (BEV). Los resultados de este estudio mostrarán como los FCV podrían reducir las emisiones cradle-to-grave comparado con cualquier otra de las opciones consideradas en la actualidad y en el escenario de Europa en 2050, pero de ello depende de la estrategia de producción del H2. En este sentido, se recomienda el H2 azul, obtenido por reformado de gas metano (SMR) con captura de CO2 (CCS), por sus bajas emisiones en el proceso well-to-tank y la posibilidad que ofrece de su uso a gran escala y corto plazo.

En el segundo estudio el rendimiento de la nueva arquitectura para vehículos de pasajeros FCREx, que emplea la pila de combustible (FC) como range-extender, se evaluará para diferentes combinaciones de máxima potencia de FC, capacidad de la batería y capacidad del tanque de H2. Para ello, se generarán espacios de diseño en función estos tres parámetros de dimensionamiento que muestren la autonomía, el consumo de energía total y de H2 para cada diseño. Con estos datos, se concluirá que esta arquitectura podría reducir el consumo de energía total hasta un 6.8% y el de H2 de un 16.8% a un 25%, comparada con diseños de FCV comerciales equivalentes en autonomía. El diseño FCREx óptimo debería tener una FC con una potencia máxima ≥80 kW y una capacidad de batería cercana a 30 kWh para minimizar tanto los costes de fabricación como el consumo, aunque el diseño óptimo, sólo en términos de consumo, sugiere que es más adecuado emplear baterías de mayor capacidad.

El último estudio es una combinación de los dos primeros. En él se combinarán las metodologías de LCA y dimensionado para entender cómo cambian las emisiones GHG-100 y NOx en un proceso cradle-to-grave emitidas para FCVs con arquitectura FCREx cuando se modifican la potencia máxima de la FC, la capacidad de la batería y la capacidad el tanque de H2. A partir de los resultados de este estudio se concluirá que emplear H2 azul podría reducir las emisiones GHG-100 y NOx en un proceso cradle-to-grave en un 60% y 38% respectivamente, con respecto al H2 negro (obtenido por electrólisis empleando el mix energético europeo actual). El diseño óptimo, en términos de emisiones, es aquel con una capacidad de la batería baja-moderada y una potencia máxima de la FC moderada-alta, en contraste con el diseño óptimo sólo en términos de consumo. Finalmente, se sugiere que con el fin de minimizar las emisiones cradle-to-grave de los vehículos con arquitectura FCREx se debe priorizar la descarbonización del proceso de fabricación de las baterías, considerar el H2 azul como vector energético principal y aumentar la fracción de energía renovable en el mix energético europeo.

[EN] This study is focused on analysing the potential of novel architectures for H2-based fuel cell vehicles (FCV) to improve the performance and cradle-to-grave greenhouse gases (GHG-100) and NOx emissions of conventional FCVs. To do so, three different studies will be carried out, each one corresponding to a different paper. In the first study, the life cycle assessment (LCA) methodology will be applied to evaluate H2 as a fuel to decrease cradle-to-grave GHG-100 and NOx emissions compared against hydrocarbon-fueld conventional internal combustion engine vehicles (ICEV) and battery electric vehicles (BEV). This study will show how FCV may decrease cradle-to-grave emissions compared to any of the other options in both the current and the EU 2050 scenarios, but it depends on the H2 production pathway. Blue H2, obtained from steam methane reforming (SMR) with carbon capture and storage (CCS), is recommended for its low well-to-tank emissions and the short-term massive application possibility.

In the second study, the performance of the novel architecture for passenger vehicles FCREx, that uses the FC as a range-extender, will be evaluated for different combinations of FC maximum power, battery capacity and H2 tank capacity. Design spaces will be generated as a function of these sizing parameters to show the range, H2 consumption and total energy consumption of each design. In this study, it is concluded that this architecture could provide an overall energy saving consumption up to 6.8% and H2 consumption saving ranging from 16.8% to 25% compared to equivalent-in-range commercial FCV. The optimum FCREx design should have a FC maximum power of ≥80 kW and a battery capacity of ~30 kWh to minimize both manufacturing costs and consumption, although the optimum design, only in terms of consumption, suggested high battery capacity.

The last study is a combination of the first and the second study. The LCA and sizing methodologies will be combined to understand how the cradle-to-grave GHG-100 and NOx emissions of the FCREx architecture change when the FC maximum power, the battery capacity and the H2 tank capacity change. From this study, it is concluded that considering blue H2 could decrease cradle-to-grave GHG-100 and NOx emissions by 60% and 38% with respect to black H2 (obtained through electrolysis from the current European electricity mix). The optimum design, in terms of emissions, is found to be with low-moderate battery capacity and moderate-high FC maximum power, in contrast to the optimum design in terms of performance only. Finally, with the produced data, it is suggested to prioritize the decarbonization of the battery manufacturing process, considering blue H2 as the main energy carrier and the increase in the renewable energy share in the EU electricity mix to minimize the cradle-to-grave emissions of FCREx vehicles.