Appendiks

Brændselsceller er nøgleteknologien

Figur 1
Brændselsceller kan omsætte mange typer brændsler og levere energi til kraftvarme, transport og bærbar elektronik.

Brændselsceller er en nøgleteknologi for brintsamfundet, uanset hvordan hydrogenet produceres. Hvis brændselsceller udelukkende forsynes med hydrogen, er det eneste udslip vanddamp. Bruger man kulgas fra ophedning af stenkul, naturgas, biogas eller bioethanol udsendes der også carbondi-oxid og meget små mængder nitrogenoxider. Ved omsætning af ammoniak er der ligeledes et yderst beskedent udslip af nitrogenoxider.

Brændselsceller omdanner den kemiske energi i brændstoffet direkte til elektricitet ved en elektrokemisk proces. Det medfører et mindre energitab end i et traditionelt kraftværk, hvor brændslet afbrændes, og varmen udnyttes til at fremstille damp, der driver en turbine, som producerer strøm-men.

En brændselscelle yder typisk en spænding på 1 volt, og højere spændingsforskelle og dermed højere effekt opnås ved at stakke cellerne. Stakkene kan samles i moduler af forskellige størrelser, og et vilkårligt antal moduler kan sættes sammen. Derfor er brændselsceller velegnede både til små anlæg, som forsyner et hus, en bil eller en bærbar computer med strøm, og til store kraftvarmeværker.

Der findes mange typer brændselsceller, men de vigtigste er PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) og DMFC (Direct Methanol Fuel Cell).

PEM-celler

Figur 2a, 2b og 2c
Princippet og kemien i en PEM–celle og en cellestak i en 2,5 kW kraftvarmeenhed
produceret af det danske firma IRD Fuel Cells.

En brændselscelle består af en gaselektrode og en luftelektrode, der er adskilt af en elektrolyt. I PEM-celler diffunderer protoner gennem elektrolytten, hvorpå de forenes med oxygen i luftelektroden og danner vand. De nuværende PEM–celler arbejder ved temperaturer på omkring 80 grader og omsætter 50–55 procent af brændstoffets energi til el.

I Danmark producerer IRD–Fuel Cells PEM–celler, cellestakke og kraftvarmeenheder. "Vi er det eneste firma i Europa, som kan levere et komplet system på seks uger", siger Jørgen Lundsgaard fra IRD.

PEM-celler skal forsynes med ren hydrogen og er derfor særligt velegnede i samspil med vedvarende energikilder som sol og vind, hvor hydrogen produceres ved elektrolyse. IRD har leveret brænd-selsceller til et norsk demonstrationsprojekt på den lille ø Utsira, hvor øens indbyggere forsynes med strøm fra vindmøller. Når der er overskud af elektricitet, omsættes strømmen til hydrogen, som lagres i tryktanke. Og når vindmøllerne ikke kan dække behovet, omsættes hydrogenet til el i brændselscellerne. "Et nyt projekt startes i Nakskov i 2007, hvor man udover vindmøllestrøm også vil udnytte methan fra sukkerfabrikkernes affald. Her skal der laves et hydrogennet i et boligkvarter, som vi skal forsyne med decentrale kraftvarmeenheder", siger Jørgen Lundsgaard. "Projektet i Nakskov bliver sandsynligvis model for et større EU-projekt i Milano."

Prisen på strøm fra PEM–celler skal reduceres til en trediedel for at kunne konkurrere med konven-tionelle kraftværker, men i nogle sammenhænge betyder en høj pris ikke ret meget i forhold til sikkerhed og miljøhensyn. Et eksempel er nødstrømsanlæg, som kan redde en banks datasystem for kollaps ved en pludselig strømafbrydelse. Efterspørgslen på nødstrømsanlæg med brændselsceller er stigende, fordi storbyer som London, New York og Tokyo har forbudt dieselgeneratorer.

SOFC-celler

Figur 3
Den elektrokemiske reaktion i en SOFC.

Keramiske SOFC–celler arbejder i dag ved temperaturer på 750–1.000 grader. Den elektrokemiske proces begynder med, at luftelektroden omdanner oxygenmolekyler til negativt ladede oxidioner ved optagelse af elektroner. Oxidionerne vandrer gennem elektrolytten over til gaselektroden, hvor de reagerer med hydrogen og danner vand. For hvert nydannet vandmolekyle frigives der to elek-troner, som sendes på arbejde i elnettet eller i en elektromotor. Elektronerne vender tilbage til brændselscellen, og her samles de op af oxygenmolekyler i luftelektroden, hvorved der dannes nye oxidioner, som får processen til at fortsætte.

SOFC–cellerne har to store styrker. For det første er de potentielt billige og kan holde til lang tids drift. Og for det andet kan de køre på en bred vifte af brændsler som kulgas, biogas, bioethanol og naturgas. Naturgas og biogas består mest af methan, som cellerne omsætter direkte, men da gassen også indeholder højere carbonhydrider, omdannes brændstoffet til methan i en omformer uden for cellen, hvorpå methanen reformeres til hydrogen i brændselscellen.

SOFC–celler er kommercielt interessante, fordi de ikke har behov for ren hydrogen, som er dyr i dag. Derimod er naturgas billig mange steder i verden. "I Danmark, hvor vi både har naturgas og et nationalt net, kan gassen blive den afgørende trædesten i overgangen til et brintsamfund med vedva-rende energi”, siger Søren Linderoth fra Risø.

SOFC–celler har en elvirkningsgrad på omkring 56 procent, når de kører på naturgas. I et naturgas-fyret kraftvarmeværk med SOFC–celler bruges restgasserne fra brændselscellen til at opvarme ny gas og fyres derpå af i en katalytisk brænder, som producerer varme. På den måde udnytter systemet 88 procent af energien i naturgassen til produktion af strøm og varme. Det svarer nogenlunde til den samlede energiudnyttelse på et moderne naturgasfyret kraftvarmeværk, men her omsættes kun om-kring 48 procent af brændstoffets energi til elektricitet.

Et samarbejde mellem Risø og Haldor Topsøe A/S har gjort Danmark til et foregangsland inden for udviklingen af SOFC–celler. Risø arbejder nu med at sænke cellernes arbejdstemperatur til 550–650 grader. I dag er en keramik–metal komposit det mekanisk bærende element i cellen, men ved arbejdstemperaturer på omkring 650 grader kan blandingen erstattes med billigt og mere robust stål, så cellestakkene både vil blive meget billigere og få en endnu længere levetid. "De nye celler virker i laboratorieskala, og frem til 2009 skal de udvikles til nær ved et kommercielt niveau", siger Søren Linderoth.

Figur 4
Sådan kan vore huse forsynes med strøm og varme ved omsætning af naturgas i SOFC–brændselsceller.
Grafik: Forskningscenter Risø.

Haldor Topsøe A/S har fremstillet prototypen af en 20 kW kraftvarmeenhed, som i 2006 afprøves i Finland. En nærliggende anvendelse er kraftvarme til skibe. "I store skibe og færger kan brændsels-celler forsyne skibene med strøm og varme, når de ligger i havn. Så kan skibets motor slukkes, og naboerne til havnen slipper for støj og luftforurening. Små skibe kan udstyres med en lille 5 kW-enhed, som forsynes med bioethanol eller methanol", siger Jens Rostrup-Nielsen fra Haldor Topsøe A/S. "På længere sigt tror jeg mest på 250 kW-enheder til decentrale kraftvarmeværker. Når det gælder de helt store værker i megawattklassen, vil det være billigst at brænde gassen af."

DMFC–celler

Figur 5
Princippet og de elektrokemiske reaktioner i en DMFC-celle.
Grafik: IRD Fuel Cells.

I DMFC–celler reagerer methanol og vand i brændselselektroden, hvorved der frigives fire proto-ner, som diffunderer gennem elektrolytten, hvor protoner reagerer med oxidion og danner vand. DMFC–cellen er en ret ny celletype, men bliver sandsynligvis den første brændselscelle, som slår kommercielt igennem.

I starten vil DMFC–celler især erstatte batterier i bærbare computere, mobiltelefoner og MP3–afspillere. "Methanols energitæthed er 10–100 gange højere end energitætheden i batterier, så et methanollager af samme størrelse som batteriet vil holde tilsvarende længere. I forbrugerelektronik vil man enten kunne udskifte methanolpatronerne eller optanke apparaterne på samme måde, som når man fylder gas på en lighter", siger Jørgen Lundsgaard.

Strøm fra en DMFC–celle koster for tiden betydeligt mere end strøm fra et batteri, men i mange sammenhænge er det værd at betale merprisen. "Et eksempel er alle lysbøjer og fyrtårne på havene på den nordlige halvkugle. Her må man i dag sejle ud for at skifte batterier 3–4 gange i løbet af et år. Med et methanollager på 45 liter er et skift om året nok", siger Jørgen Lundsgaard.

DMFC–celler kan også afløse batterier i nødstrømsanlæg og små specialkøretøjer som kørestole til handicappede. En anden mulighed er brændselscellebiler, der kører på methanol. Men methanol bliver næppe fremtidens motorbrændstof, fordi methanol er giftigt og kan forurene grundvandet ved storstilet anvendelse til transport.

Figur 6
Et lysfyr med DMFC-celler fremstillet af IRD Fuel Cells.
Foto: IRD Fuel Cells.