Brændselscelle: Forklaring på strømproduktion med brint og elektrolyse
Forstå brændselsceller: hvordan brint og elektrolyse producerer ren strøm, fordele, metoder (dampreforming vs elektrolyse) og betydning for brintøkonomien.
En brændselscelle producerer elektricitet ved hjælp af den energi, der frigøres ved at blande brændstof med luft, en reaktion, der skaber vand og nogle gange også kuldioxid. Det mest almindelige brændstof til brændselsceller er brint, som, når det reagerer med luftens ilt, kun producerer vand. Brændselsceller fungerer som et batteri, der konstant tilføres brændstof, så det aldrig løber tør (så længe du har brændstof nok). Brændselsceller er en vigtig del af brintøkonomien. Brintmolekyler findes i stoffer som f.eks. metan, vand og biomasse, men i alle tilfælde kræves der energi for at udvinde dem. Der er to almindelige måder at fremstille brint på - det kan udskilles fra de fleste brændstoffer som olie, gas og kul i en proces kaldet dampreforming, eller det kan udvindes fra vand ved hjælp af en proces kaldet elektrolyse. Hvis brinten udskilles fra fossile brændstoffer, frigøres der kuldioxid. Hvis den energi, der bruges til at udvinde den fra vand via elektrolyse, kommer fra sol- eller vindkraft, er den producerede brint godartet, fordi der ikke frigives nogen emissioner. Brint kan også udskilles fra vedvarende biogas, hvilket betyder, at det kulstof, der frigives, ikke er af fossil oprindelse og derfor indgår i det naturlige kulstofkredsløb.
Hvordan fungerer en brændselscelle?
En brændselscelle omdanner kemisk energi direkte til elektricitet gennem en elektrokemisk reaktion. De vigtigste dele er:
- Anode (hvor brændstoffet indføres)
- Kathode (hvor ilten indføres)
- Elektrolyt (som leder ioner mellem anode og kathode)
- Katalysator (hjælper reaktionen uden selv at blive forbrugt)
Ved en brint-brændselscelle spaltes brintmolekyler på anoden til protoner (H+) og elektroner. Protonerne bevæger sig gennem elektrolytten til kathoden, mens elektronerne tvinges gennem en elektrisk kreds og danner strøm. Ved kathoden møder protonerne elektronerne og ilt, og sammen danner de vand og frigiver varme.
Typer af brændselsceller
Der findes flere varianter, som egner sig til forskellige anvendelser:
- PEMFC (Proton Exchange Membrane) – lav driftstemperatur, hurtig opstart; bruges ofte i biler og mindre stationære systemer.
- SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – høj driftstemperatur, høj effektivitet; velegnet til stationær brug og kraftvarme.
- PAFC, MCFC, AFC – andre typer med særlige fordele og begrænsninger afhængig af temperatur, brændstoffleksibilitet og omkostninger.
Fremstilling af brint
De mest udbredte metoder er:
- Dampreforming (steam methane reforming): Brint udvindes fra naturgas eller andre fossile brændstoffer. Det er økonomisk effektivt, men producerer CO2, medmindre CO2 fanges (CCS).
- Elektrolyse: Vand spaltes i ilt og brint ved hjælp af elektricitet. Hvis elektriciteten kommer fra vedvarende kilder som sol- eller vindkraft, kaldes brinten ofte «grøn» og har meget lave direkte emissioner.
- Biologiske og termiske processer: Brint kan også produceres fra biogas eller ved termokemiske metoder fra biomasse.
Anvendelser
Brændselsceller og brint anvendes i mange sammenhænge:
- Transport: personbiler, busser, tog og lastbiler, hvor brændselsceller giver længere rækkevidde og hurtig tankning sammenlignet med batterier.
- Stationær kraftproduktion: backup-strøm, off-grid løsninger og til integration i energisystemer med kombineret varme- og elproduktion.
- Industri: som procesenergi eller som råstof i kemiske processer.
Fordele og ulemper
Fordele:
- Høj virkningsgrad i omdannelse af kemisk energi til elektricitet, især i kraftvarmeopsætninger.
- Lav eller ingen lokale emissioner (ved brint fra ikke-fossile kilder).
- Hurtig tankning og energitæt lagring sammenlignet med batterier.
Udfordringer:
- Produktionsomkostninger for brint og for brændselsceller kan være høje.
- Infrastruktur til produktion, transport og distribution af brint er stadig under udvikling.
- Sikkerhed og håndtering: brint er let antændelig og kræver korrekt håndtering og design af tanke og rør.
- Miljøaftryk afhænger af, hvordan brinten produceres — dampreforming giver CO2, mens elektrolyse kan være meget ren ved brug af vedvarende energi.
Fremtiden for brændselsceller
Brændselsceller spiller en rolle i omstillingen til et lavemissionssamfund, især hvor høj energitæthed og hurtig genopfyldning er afgørende. Udvikling inden for materialer, skalering af elektrolyseanlæg og etablering af en brintinfrastruktur samt kombination med CO2-fangst kan reducere omkostninger og emissioner markant. Samtidig vil en blanding af teknologier — batterier, brændselsceller og vedvarende energikilder — sandsynligvis være nødvendig for at dække forskellige energibehov.
Direkte-metanol-brændselscelle. Den egentlige brændselscellestack er den lagdelte bikubiske struktur i midten af billedet
Sådan konverteres energi
Vand er et molekyle, der består af et oxygenatom og to hydrogenatomer. Det kræver energi at adskille vand i ilt og brint, og der frigives energi, når de sættes sammen igen som vand. En brændselscelle sætter brint og ilt sammen igen på en måde, hvor energien frigives i form af elektricitet.
Brændstof (energikilden, normalt brint) og luft (som indeholder ilten) placeres på modsatte sider af brændselscellen. I midten af brændselscellen er der en "skærm", en såkaldt elektrolyt, der er anbragt mellem to metalplader, kaldet elektroder, som holder brændstof og luft adskilt. De forskellige typer brændselsceller får deres navne efter den type skærm, der anvendes til at adskille brændstof og luft. Skærmen tillader kun bestemte ladede molekyler, også kendt som ioner, at passere igennem den.
For at skabe ioner skal elektroner transporteres fra den ene side af systemet til den anden. Elektronerne adskilles fra brændstoffet af metalpladen på brændstofsiden og skal bevæge sig til luftsiden for at fuldføre reaktionen. Da skærmen ikke lader elektronerne passere igennem, går de gennem en separat ledning til den anden metalplade på luftsiden. Elektronernes rejse skaber elektrisk strøm (elektricitet). Ledningen er det sted, hvor elektriciteten kan bruges. Tråden kan f.eks. skæres over på midten, og en pære kan tilsluttes mellem de to halvdele.
I mellemtiden passerer ionerne gennem skærmen og reagerer med molekylerne (som allerede er på den anden side) og elektronerne (som har rejst gennem ledningen og afgiver energi til at drive elektronikken) på den anden side. Der dannes vand (og, afhængigt af brændstoftypen, lejlighedsvis andre produkter), som de kommer ud gennem et udstødningsrør.
Effektivitet
Brændselsceller producerer elektricitet ved at kombinere ilt og brint. Virkningsgraden er meget god (ca. 40-70 %). De har en maksimal effektivitet på 83 %, hvis udstødningsvarmen udnyttes under reaktionen. Brændselsceller kan også anvende forskellige brændstoffer, f.eks. naturgas, methanol, LPG (Liquid Petroleum Gas), naphtha, petroleum osv.
Funktioner
Nogle typer brændselsceller producerer kun vand, hvilket betyder, at der ikke er nogen forurening. De fleste typer brændselsceller forårsager langt færre emissioner end klassisk ("kalorisk") elproduktion. De kan forbruge de samme typer brændstof som klassiske elproduktionsanlæg, f.eks. dieselmotorer, men de er ca. to gange så effektive, hvilket betyder, at de kan producere den samme mængde energi med halvt så meget brændstof og dermed mindst halvt så meget forurening. Desuden har den direkte konvertering, som brændselscellerne anvender, mindre risiko for at producere sekundære emissioner som NOx, SOx og partikler, som er bivirkninger af forbrænding, bidrager til den globale opvarmning og er kendt som såkaldte kriterieforurenende stoffer.
Brændselsceller er meget støjsvage. De har ingen bevægelige dele bortset fra nogle ventilatorer til at flytte luft og pumper til at flytte vand, hvilket betyder, at de meget sjældent kræver reparationer, men nogle store brændselsceller, der bruges til at drive ting som f.eks. bygninger, kan være ret skrøbelige.
På grund af den meget lave emission af forurenende stoffer anvendes brændselsceller ofte i køretøjer, der bevæger sig inden for bygninger, f.eks. gaffeltrucks. Fordi de er meget støjsvage, anvendes de i nogle militære ubåde for at undgå at blive opdaget. Brændstoffet udnyttes mere effektivt, hvilket betyder, at brændselsceller kan fungere længere uden at skulle have nyt brændstof. Det gør det muligt at anvende dem på steder, der er vanskelige at komme til, f.eks. vejr- eller forskningsstationer, rumskibe eller militærbaser.
Da rumskibe opsendes med raketter, der indeholder ren brint og ilt, produceres elektriciteten om bord ved hjælp af meget effektive brændselsceller, der kan bruge disse brændstoffer. Desuden producerer rumskibenes brændselsceller rent vand ved udstødningen, som kan opsamles og bruges som drikkevand til astronauterne, hvilket betyder, at der ikke går noget som helst til spilde.
Typer af brændselsceller
Brændselsceller kan klassificeres efter typen af den indre skærm (elektrolyt). F.eks. er fosforsyrebrændselsceller beregnet til lave temperaturer. Den anvendes i mobiltelefoner og bilstrømforsyninger, der kræver høje strømme, fordi den er meget mere sikker. Alkali-brændselsceller indeholder normalt kaliumhydroxid (KOH). Methanolbrændselsceller anvendes ved at lade methanol reagere elektrokemisk. Denne type brændselscelle er et bedre valg til enklere systemer. Men methanolbrændselsceller har en lav udgangstæthed, da reaktionshastigheden er langsom.
Nogle vigtige typer af brændselsceller er:
- Fosforsyrebrændselscelle (PAFC) - Fosforsyrebrændselsceller er kommercielt tilgængelige i dag. De er de mest almindelige brændselsceller til kombineret kraftvarmeproduktion.
- Proton Exchange Membrane fuel cell (PEM) - Disse brændselsceller fungerer ved relativt lave temperaturer (ca. 175 °F), har en høj effekttæthed, kan hurtigt variere deres output for at imødekomme ændringer i efterspørgslen efter strøm og er velegnede til applikationer, f.eks. i biler, hvor der kræves hurtig opstart. Alle kommercielle brændselscellebiler anvender denne type brændselscelle. Ulempen ved disse brændselsceller er, at de kræver brint af høj renhed, som er dyrt at fremstille.
- Brændselscelle med smeltet karbonat (MCFC) - Disse brændselsceller fungerer ved meget høje temperaturer, hvilket gør det muligt for dem at omdanne mere komplekse brændstoffer, som f.eks. naturgas, til brintbrændstof, der kan bruges af selve cellen. Det tager flere timer at starte og lukke dem op og ned, så de anvendes kun i applikationer, hvor de kan køre uafbrudt, f.eks. stationær strømforsyning til store bygninger/virksomheder.
- Mikrobiel brændselscelle (MFC) - En brændselscelle, der bruger respirerende mikrober til at omdanne organiske substrater til elektrisk energi ved hjælp af oxidations-reduktionsreaktioner.
Applikationer
Der er mange anvendelsesmuligheder for brændselsceller - store bilproducenter arbejder på at markedsføre brændselscellebiler. Toyota og Honda har lanceret henholdsvis Mirai og Clarity. Brændselsceller driver busser, både, tog, fly, scootere, gaffeltrucks og cykler. Der findes også salgsautomater, støvsugere og vejskilte på motorveje, der drives af brændselsceller. Der forventes miniaturebrændselsceller til mobiltelefoner, bærbare computere og bærbar elektronik. Hospitaler, kreditkortcentre, politistationer og banker bruger brændselsceller til at forsyne deres faciliteter med strøm. Spildevandsbehandlingsanlæg og lossepladser bruger dem til at omdanne den metangas, de producerer, til elektricitet. Brændselsceller har længe været anvendt i rummet. Telekommunikationsvirksomheder bruger brændselsceller i mobiltelefontårne, radiotårne og 911-tårne.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvordan genererer en brændselscelle elektricitet?
A: En brændselscelle genererer elektricitet ved at blande brændstof med luft og skabe en reaktion, der frigiver energi og skaber vand og nogle gange kuldioxid.
Spørgsmål: Hvad er det mest almindelige brændstof, der anvendes i brændselsceller?
A: Det mest almindelige brændstof, der anvendes i brændselsceller, er brint.
Spørgsmål: Hvordan adskiller en brændselscelle sig fra et batteri?
A: En brændselscelle adskiller sig fra et batteri ved, at den konstant tilføres brændstof, så den aldrig løber tør, så længe der er tilstrækkeligt med brændstof til rådighed.
Spørgsmål: Hvad er brintøkonomi?
A: Brintøkonomi henviser til brugen af brint som brændstofkilde med henblik på at mindske afhængigheden af fossile brændstoffer.
Spørgsmål: Hvordan fremstilles brint?
A: Brint kan fremstilles ved hjælp af en proces kaldet dampreforming eller udvindes af vand ved hjælp af en proces kaldet elektrolyse.
Spørgsmål: Hvad sker der, når brint adskilles fra fossile brændstoffer?
Svar: Når brint adskilles fra fossile brændstoffer, frigøres der kuldioxid.
Spørgsmål: Kan brint fremstilles på en måde, der ikke udsender skadelige emissioner?
Svar: Ja, hvis den energi, der bruges til at producere brint, kommer fra vedvarende energikilder som sol- eller vindkraft, er den producerede brint godartet, fordi der ikke frigives nogen emissioner. Brint kan også udskilles fra vedvarende biogas, hvilket betyder, at det kulstof, der udledes, ikke er af fossil oprindelse og derfor er en del af det naturlige kulstofkredsløb.
Søge