Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk

4. Teknologier
4.1. Generelt
Elektrolyse er en proces, hvor man ved hjælp af elektricitet fremstiller
nye forbindelser. Når elektrolyse anvendes i forbindelse
med vedvarende energi, bruges processen sædvanligvis til fremstilling
af brint eller syntesegas.
Den praktiske udformning af elektrolyseprocessen kan være
meget forskellig, men er baseret på en elektrolysecelle med to
elektroder. Stoffet eller stofferne, der skal omdannes, tilføres
elektrolysecellen i takt med tilførslen af elektricitet. Elektriciteten
tilføres som jævnstrøm med en spænding tilpasset antallet
af elektrolyseceller i elektrolysestakken.
De forventede generelle fordele ved de elektrolyseanlæg, som
skal udvikles og demonstreres, er relateret til:
❚ Høj virkningsgrad
❚ Miljøvenlig, ingen forurening eller CO2 udledning
❚ Modulær opbygning, der kan tilpasses central eller decentral
el-produktion
❚ Kort responstid, systemet kan bidrage til belastningsudjævning
ved hurtige og store variationer i elsystemets belastning
❚ Høj effekttæthed (~1 MW/m3 brint)
Partnerskabet for Brint og Brændselsceller har besluttet at prioritere
følgende elektrolyseteknologier i strategidokumentet:
❚ Alkalisk elektrolyse
❚ PEM elektrolyse
❚ Solid Oxide elektrolyse
4.2. Karakteristika for de
enkelte teknologier
Alkalisk elektrolyse (AEC)
Alkalisk elektrolyse repræsenterer en moden teknologi til on
site produktion af brint til industrielle processer. For at en dansk
udviklet AEC-teknologi skal kunne konkurrere med eksisterende
teknologier/brændsler på energimarkedet, og for at kunne konkurrere
med leverandører af konventionel AEC-teknologi er det
nødvendigt at videreudvikle teknologien, så effektiviteten øges
og anlægsprisen reduceres, for derved at reducere anlægs- og
driftsomkostninger.
Anode- og katode-elektroderne i alkaliske elektrolyseanlæg er
typisk fremstillet af nikkel eller forniklet stål påført katalytiske
belægninger. Katalysatorerne kan være ædle eller ikke ædle metaller.
Elektrolytten er en ca. 25 % vandig opløsning af KOH (kaliumhydroxyd).
Brint og ilt adskilles i cellerne af et diaphragma/
membran, der er gennemtrængelig for vand og hydroxyl ioner,
men samtidig gastæt.
Forøgelse af driftstemperaturen fra de i dag normalt anvendte
80 til over 200 °C kan forøge el-effektiviteten for anlæggene
ganske betydeligt, ligesom højt driftstryk på stakken vil forøge
systemeffektiviteten, idet energiforbruget til den efterfølgende
komprimering reduceres. Den forsknings- og udviklingsmæssige
udfordring er at sikre den nødvendige materialestabilitet
for elektroder, diaphragmer og pakninger. Der er identificeret
brugbare materialer, som ikke er dyrere end de materialer, der
anvendes ved 80 °C, men der mangler langtidstest (flere år) til
at eftervise deres kommercielle anvendelighed.
Den alkaliske teknologi er pga. sin prisbillighed anvendelig til
alle størrelser anlæg. Lige fra de helt små kW anlæg, der anvendes
sammen med husstands CHP anlæg til 100 MW store anlæg
til netbalancering. Den maksimale stakstørrelse er i dag på 3,4
MW.
PEM elektrolyse (PEMEC)
PEM-elektrolysecellen minder principielt om PEM-brændselscellen
(PEMFC) og væsentlige dele af de senere års tekniske
landvindinger inden for PEMFC kan også bruges til PEM-elektrolyseanlæg.
En PEM-elektrolysecelle er opbygget omkring en
polymerelektrolytmembran (PEM), der er i umiddelbar kontakt
med to gasdifussionelektroder, der udvikler henholdsvis ilt og
brint.
Elektrolytmembranen er som regel en perfluoreret polysulfonsyre
ionbytter membran eksemplificeret ved produktet Nafion®,
der er standardelektrolytten i den analoge brændselscelle. Elektrolytmembranens
egenskaber bestemmer anlæggets driftstemperatur.
Lav-temperatur PEMEC (LT-PEMEC) har driftstemperaturer
på 65–85 °C, og høj-temperatur PEMEC (HT-PEMEC) vil have driftstemperaturer
på 160–180 °C.
Katalysatoren på begge gasdiffusionselektroder er platin eller
ædelmetal legeringer. Der, hvor PEM-elektrolysecellen adskiller
sig tydeligst fra PEM-brændselscellen, er på iltelektroden, som
udover katalysatoren må fremstilles af andre materialer end kulstof
eller rustfrit stål, der er standard i PEMFC. Grunden til dette
er, at elektrolyseceller har en højere cellespænding end brændselsceller.
Gasddiffusionsdelen af elektroden fremstilles derfor af
korrosionsbestandige materialer som f.eks. titan. Elektrolytmem-
Elektrolysestrategi 12