Introduktion til hydrogen og brændselsceller - skolebutik.dk
Introduktion til hydrogen og brændselsceller - skolebutik.dk
Introduktion til hydrogen og brændselsceller - skolebutik.dk
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
<strong>Introduktion</strong> <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong><br />
<strong>brændselsceller</strong><br />
- en kort introduktion<br />
www.mini<strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<strong>dk</strong><br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
1
www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
Indholdsfortegnelse<br />
<strong>Introduktion</strong> ...................................................................................................2<br />
Det fossile energisystem ...........................................................................3<br />
– grunde <strong>til</strong> forandring...........................................................................................3<br />
Forurening............................................................................................................................................................................3<br />
Faldende olieforsyning .....................................................................................................................................................3<br />
Hydr<strong>og</strong>en energisystemet.........................................................................3<br />
– vedvarende <strong>og</strong> ren energi....................................................................................4<br />
Hydr<strong>og</strong>enproduktion ...................................................................................5<br />
– omdan universet <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> ..............................................................................5<br />
Hydr<strong>og</strong>enlagring <strong>og</strong> distribution ..............................................................6<br />
– håndtering af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> .......................................................................................6<br />
Tryk lagring ..........................................................................................................................................................................6<br />
Flydende lagring .................................................................................................................................................................6<br />
Metanol lagring....................................................................................................................................................................6<br />
Metalhydrid lagring ............................................................................................................................................................6<br />
Brændselsceller............................................................................................7<br />
– omdannelse af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>til</strong> energi........................................................................7<br />
Basis princip ........................................................................................................................................................................7<br />
Stakke princip......................................................................................................................................................................7<br />
Brændselscelle typer.........................................................................................................................................................8<br />
Brændselscelle fordele <strong>og</strong> ulemper...............................................................................................................................8<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> transport................................................................................9<br />
– ren, lydløs <strong>og</strong> futuristisk......................................................................................9<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> strøm <strong>og</strong> varme.................................................................. 10<br />
– producer din egen energi .................................................................................. 10<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> mobil energi.........................................................................11<br />
– uudtømmelig mobil energi ................................................................................. 11<br />
<strong>Introduktion</strong><br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>og</strong> <strong>brændselsceller</strong> er elementer i et nyt energisystem med <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> som energibærer.<br />
Vedvarende energi bruges <strong>til</strong> at spalte vand <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen. Hydr<strong>og</strong>en lagres <strong>og</strong> distribueres hen,<br />
hvor der er behov for energi. Her omdannes <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> igen <strong>til</strong> energi i en brændselscelle med vand som<br />
det eneste udstødningsprodukt.<br />
En oms<strong>til</strong>ling <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> er nødvendig for at imødegå fremtidens stigende udfordringer med faldende<br />
olieforsyning <strong>og</strong> global opvarmning, som følge af afbrændingen af fossile brændsler.<br />
Mange ressourcer anvendes verden over for at realisere <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> brændselscelle visionen.<br />
Adskillige <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>tankstationer er allerede åbnet rundt om i verden, <strong>og</strong> flere er på vej.<br />
Bilfabrikanterne udvikler nye <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> biler, som er lydløse <strong>og</strong> forureningsfri.<br />
Myndigheder <strong>og</strong> organisationer arbejder med at skabe rammebetingelserne på markedet for at<br />
accelerere <strong>og</strong> fremme udviklingen af en ren <strong>og</strong> vedvarende <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> fremtid.<br />
Dette dokument er beregnet <strong>til</strong> at give læseren en grundlæggende <strong>og</strong> forståelig introduktion <strong>til</strong><br />
fremtidens <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> brændselscelle teknol<strong>og</strong>i <strong>og</strong> økonomi.<br />
miniHYDROGEN har udviklet dette undervisningsmateriale <strong>til</strong> anvendelse i naturvidenskabelig undervisning i den danske folkeskole <strong>og</strong> på de<br />
danske tekniske <strong>og</strong> almene gymnasier. miniHYDROGEN kan ikke holdes <strong>til</strong> ansvar for undervisningsmaterialets indhold, <strong>og</strong> det må forventes, at<br />
indholdet efterhånden vil blive forældet grundet nye forskningsresultater. Det anbefales således jævnligt at hente det nyeste materiale fra<br />
miniHYDROGENs hjemmeside. Materiale, data <strong>og</strong> grafik i dette dokument er udviklet af miniHYDROGEN. Indholdet er beskyttet af loven om<br />
ophavsret. Materialet må kun anvendes <strong>til</strong> ikke kommercielle <strong>og</strong> uddannelsesmæssige formål, hvor der refereres <strong>til</strong> miniHYDROGEN.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
2
www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
Det fossile energisystem<br />
– grunde <strong>til</strong> forandring<br />
I dag anvendes energi <strong>til</strong> tre formål: elektricitet, varme <strong>og</strong> bevægelse (transport).<br />
Det meste af verdens energi kommer fra fossile brændsler som olie, kul <strong>og</strong> naturgas. Andre energikilder<br />
som atomkraft <strong>og</strong> forskellige vedvarende energikilder anvendes <strong>og</strong>så.<br />
Billedet nedenfor viser det avancerede energisystem, som forsyner os med energi i dag:<br />
Systemet er velfungerende <strong>og</strong> har hid<strong>til</strong> bidraget <strong>til</strong>, at vort samfund har udviklet sig. Men det fossile<br />
energisystem står overfor n<strong>og</strong>le fremtidige trusler, som dagligt bliver mere relevante.<br />
Forurening<br />
Afbrænding af fossile brændsler forurener.<br />
CO2 er den omtalte forurening, som bl.a. menes at være årsag <strong>til</strong> den såkaldte drivhuseffekt, som<br />
skaber global opvarmning.<br />
Andre forureningskilder fra fossile brændsler er SO2, NOx, CO, PAH, Benzen, HC <strong>og</strong> andre, som <strong>og</strong>så<br />
resulterer i lokal forurening, sm<strong>og</strong> <strong>og</strong> syreregn, hvilket påvirker vores helbred især i store byer.<br />
Faldende olieforsyning<br />
Olie er den vigtigste ressource. Den sikrer vores frihed <strong>til</strong> at transportere os på en nem måde.<br />
Olie er derfor meget værdifuldt for de lande som producerer den, <strong>og</strong> en stigende omkostninger for dem,<br />
som er tvunget <strong>til</strong> at købe den. Men olie er ikke en uudtømmelig ressource. Adskillige lande står overfor<br />
stigende omkostninger <strong>til</strong> in<strong>dk</strong>øb af olie, fordi deres egen produktion er faldende. Samtidig er den<br />
globale olieproduktion på vej <strong>til</strong> at toppe <strong>og</strong> efterfølgende falde. Oveni det er det globale olieforbrug<br />
kraftigt stigende. Ledende olie eksperter forudsiger, at den globale olieproduktion vil toppe mellem år<br />
2010 <strong>og</strong> 2040, <strong>og</strong> olieprisen vil efterfølgende stige.<br />
Et nyt energisystem er nødvendigt for at imødegå disse fremtidige trusler. Hydr<strong>og</strong>en kan være løsningen.<br />
Hydr<strong>og</strong>en energisystemet.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
3
www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
– vedvarende <strong>og</strong> ren energi<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>og</strong> <strong>brændselsceller</strong> er elementer i et nyt energisystem med <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> som energibærer.<br />
Vedvarende energi bruges <strong>til</strong> at spalte vand i <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen. Hydr<strong>og</strong>en lagres <strong>og</strong> distribueres hen,<br />
hvor der er behov for energi. Her omdannes <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> igen <strong>til</strong> energi i en brændselscelle med vand som<br />
det eneste udstødningsprodukt. Billedet nedenfor viser <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> energisystemet:<br />
Al energi kommer fra vedvarende kilder som sol, vind, bølger, vand <strong>og</strong> biomasse.<br />
Energien anvendes enten direkte som elektricitet eller lagres i <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> bruges <strong>til</strong> transport <strong>og</strong> <strong>til</strong><br />
strømproduktion, når vinden ikke blæser, <strong>og</strong> solen ikke skinner.<br />
Energien lagres i <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> ved at anvende elektricitet <strong>til</strong> at spalte vand i <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen.<br />
Processen kaldes elektrolyse. Andre <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> produktionsteknol<strong>og</strong>ier vil <strong>og</strong>så anvendes, bl.a. <strong>til</strong> <strong>og</strong>så at<br />
producere <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> ud fra fossile brændsler.<br />
Efter produktionen af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> fungerer den som energibærer (en slags batteri, hvor energi gemmes) <strong>og</strong><br />
kan levere energi, hvor end der er behov for det. En brændselscelle omdanner <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>til</strong> energi igen.<br />
I brændselscellen reagerer <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen (luft) <strong>og</strong> danner elektricitet <strong>og</strong> varme med vand som det<br />
eneste udstødningsprodukt.<br />
Da brændselscellen er en fleksibel <strong>og</strong> skalerbar teknol<strong>og</strong>i, kan den anvendes i alle de applikationer, som<br />
kræver energi. Det være sig alt lige fra mobiltelefoner, biler, busser <strong>og</strong> end<strong>og</strong> store kraftvarme værker.<br />
Brændselsceller har potentialet <strong>til</strong> at frembringe den næste store energi teknol<strong>og</strong>iske udvikling.<br />
Ved at basere energiforsyningen på vedvarende energi undgås udfordringerne <strong>og</strong> problemerne i det<br />
fossile system med forurening <strong>og</strong> fremtidig mangel på ressourcer.<br />
I <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> energisystemet bliver det <strong>og</strong>så muligt for alle forbrugere selv at producere deres energi.<br />
Men meget skal gøres, før <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> for alvor kommer <strong>til</strong> at spille en rolle i vores samfund.<br />
De næste afsnit omhandler dette.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
4
www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
Hydr<strong>og</strong>enproduktion<br />
– omdan universet <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong><br />
Hydr<strong>og</strong>en reagerer med mange forskellige materialer, <strong>og</strong> er et af de mest gængse stoffer i universet. 90%<br />
af atomerne i det kendte univers er <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
Hydr<strong>og</strong>en kan derfor produceres ud fra en lang række kilder med forskellige metoder.<br />
Den vigtigste <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>kilde er vand, som kan spaltes <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen ved hjælp af elektricitet <strong>og</strong><br />
elektrolyse.<br />
Tabellen nedenfor giver et overblik over de forskellige kilder <strong>og</strong> metoder for <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> produktion:<br />
Energikilde Energitype Energiteknol<strong>og</strong>i<br />
Vindenergi<br />
Produktionsmetode<br />
Elektricitet<br />
Van<strong>dk</strong>raft<br />
Bølgeenergi<br />
Elektrolyse<br />
Vedvarende<br />
Solenergi<br />
Fotovoltisk<br />
Fast materiale/Gas Biomasse<br />
Reformering<br />
Biol<strong>og</strong>isk<br />
Strøm Atomkraft<br />
Elektrolyse<br />
Atom-termisk<br />
Fossil<br />
Fast materiale/gas<br />
Naturgas<br />
Metanol<br />
Olie<br />
Reformering<br />
Kul Gasifikation<br />
Vores energisystem kan ikke ændres <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> fra den ene dag <strong>til</strong> den<br />
anden.<br />
Det meste <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> produceres i dag <strong>til</strong> industrielle formål fra fossile<br />
brændsler <strong>og</strong> det i mængder, der langt fra er nok <strong>til</strong> at forsyne hele vores<br />
energisystem med <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
Fossile brændsler er i dag den billigste måde at producere <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> på.<br />
I en overgangsperiode vil <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> derfor primært blive produceret ud fra<br />
fossile brændsler.<br />
I takt med at vedvarende energi bliver billigere <strong>og</strong> de fossile brændsler dyrere,<br />
vil mere <strong>og</strong> mere <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> produktion ske ud fra vedvarende energi.<br />
På langsigt vil elektrolyse af vand ved hjælp af elektricitet fra vedvarende<br />
energi blive den vigtigste produktionsform.<br />
Billederne ved siden af viser principperne for to typer af elektrolyse.<br />
Alkalisk elektrolyse er den mest modne elektrolyse teknol<strong>og</strong>i. En elektrisk<br />
spænding påføres en flydende elektrisk ledende elektrolyt.<br />
Elektrolytten indeholder <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen, som splittes op ioner, når<br />
elektricitet <strong>til</strong>føres. Hydr<strong>og</strong>en ionerne <strong>og</strong> oxygen ionerne, vil pga. det elektriske<br />
kredsløb, <strong>til</strong>trækkes <strong>til</strong> hver deres elektrode, <strong>og</strong> de bliver derved adskilt.<br />
I PEM elektrolyse er elektrolytten en fast polymer udvekslings membran. Det<br />
gør det muligt at foretage elektrolyse på helt rent vand, hvilket gør <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong><br />
mere rent.<br />
Den store udfordring for <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> produktion er, at gøre teknol<strong>og</strong>ien moden <strong>og</strong><br />
ved masseproduktion at nedbringe priserne på både teknol<strong>og</strong>ien <strong>og</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
Alkalisk elektrolyse<br />
PEM elektrolyse<br />
5
www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
Hydr<strong>og</strong>en lagring <strong>og</strong> distribution<br />
– håndtering af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong><br />
Når <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> er produceret, er næste skridt at lagre <strong>og</strong> distribuere den, <strong>til</strong> der hvor energibehovet er.<br />
Hydr<strong>og</strong>en er det første grundstof i det periodiske system <strong>og</strong> består af en proton <strong>og</strong> en elektron, hvilket<br />
gør det <strong>til</strong> det letteste <strong>og</strong> mindste af alle grundstoffer. Derfor er <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong>så det grundstof som<br />
indeholder mest energi sammenlignet med dens vægt men mindst energi sammenlignet med dens<br />
volumen. Den store udfordring for <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> lagring er derfor at finde teknol<strong>og</strong>ier <strong>og</strong> måder at lagre den<br />
på, som gør at den fylder lige så lidt som benzin<br />
Hydr<strong>og</strong>en kan lagres under tre former, som en gas som flydende væske eller som et fast materiale.<br />
Tryklagring<br />
Volumen af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> falder i takt med at lagringstrykket stiger.<br />
Hydr<strong>og</strong>en lagres i dag typisk ved 200 bars tryk, men bilfabrikanter arbejder allerede nu med tryk på<br />
helt op <strong>til</strong> 700-900 bar. Omfattende sikkerhedstest <strong>og</strong> afprøvning har vist, at <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> ved højt tryk er<br />
lige så sikker som benzin.<br />
Det koster d<strong>og</strong> energi at sætte <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> under så højt et tryk.<br />
Flydende lagring<br />
Når <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> ne<strong>dk</strong>øles <strong>til</strong> -253 grader Celsius, bliver den flydende.<br />
Flydende <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> har en god energitæthed <strong>og</strong> fylder mindre end ved<br />
tryklagring. Det koster d<strong>og</strong> meget energi at køle <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> så langt<br />
ned. Der<strong>til</strong> kommer at flydende <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> er meget diffunderbart (det<br />
fordamper), <strong>og</strong> kun kan opbevares i få uger på flydende form.<br />
Herefter vil det simpelthen være diffunderet ud i omgivelserne.<br />
Metanol lagring<br />
Metanol er en flydende alkohol som indeholder <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>. Den har<br />
det halve energiindhold pr. volumen end benzin. Metanol<br />
masseproduceres d<strong>og</strong> allerede i dag <strong>og</strong> er let at distribuere.<br />
Tryk Flydende Metalhydrider<br />
Metanol er d<strong>og</strong> giftig for mennesker, men med den rette håndtering<br />
udgør dette ikke n<strong>og</strong>en fare.<br />
Metanol bliver muligvis den måde, <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> lagres på i fremtiden.<br />
Forskningen arbejder på at udvikle teknol<strong>og</strong>i, som billigt kan<br />
omdanne metanol <strong>til</strong> <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> lige før den anvendes i<br />
brændselscellen. Der findes <strong>og</strong>så <strong>brændselsceller</strong>, som kan køre<br />
Metanol<br />
direkte på metanol f.eks. DMFC brændselscellen, hvor reformeringen sker internt i cellen.<br />
Metalhydrid lagring<br />
Hydr<strong>og</strong>en kan <strong>og</strong>så lagres som et fast materiale ved brug af såkaldte metalhydrider.<br />
Hydr<strong>og</strong>en kan reagere med forskellige typer af metalpulver, <strong>og</strong> derved lagres ved lavt tryk imellem<br />
metalgitterstrukturerne. Metalhydrider har potentialet <strong>til</strong> at nå en energitæthed tæt på benzin, <strong>og</strong><br />
lagringsmetoden giver samtidig en meget sikker lagring af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
I tabellen nedenfor er volumen af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> ved forskellige lagringsmetoder sammenlignet med benzin.<br />
Energi indhold i 1 liter benzin 8,67 kWh<br />
Hydr<strong>og</strong>en lagringsteknol<strong>og</strong>i Hydr<strong>og</strong>en volumen af 8,67 kWh Benzin volumen af 8,67 kWh<br />
Tryk (atmosfærisk) 3107 liter<br />
Tryk (200 bar) 13 liter<br />
Tryk (700 bar) 6,4 liter<br />
Flydende (-253 grader Celsius) 3,6 liter<br />
1 liter<br />
Metanol 1,8 liter<br />
Metalhydrider (MgH2) 2,3 liter<br />
Metalhydrider (Mg2FeH6) 1,7 liter<br />
Ovenstående data er med stor unøjagtighed, pga. forskellige datakilder, beregningsmetoder <strong>og</strong> lagringsteknol<strong>og</strong>ier.<br />
Alle <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> data er beregnet med nedre brandværdi for <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> på 2,79kW/h/m3 ved atm. tryk- <strong>og</strong> stuetemperatur.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<strong>dk</strong><br />
6
www.miniHYDROGEN.com<br />
Brændselsceller<br />
– omdannelse af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>til</strong> energi<br />
Brændselsceller konverterer den kemiske energi et brændsel, som oftest <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>, <strong>til</strong> elektricitet <strong>og</strong><br />
varme uden bevægelige dele eller støj.<br />
Det eneste emission ved reaktionen i brændselscellen er rent vand. En brændselscelle er altså ligesom<br />
et batteri, d<strong>og</strong> med den forskel, at den leverer strøm, så<br />
længe et brændsel forsynes <strong>til</strong> den.<br />
Brændselsceller er en skalerbar teknol<strong>og</strong>i, hvilket gør<br />
den anvendelig i en lang række forskellige energi<br />
applikationer. En brændselscelle kan bl.a. forsyne en<br />
mobiltelefon med strøm, eller anvendes i biler eller<br />
store kraftvarmeværker.<br />
Basis princip<br />
Basis princippet i en brændselscelle er en kemisk<br />
reaktion mellem <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> oxygen, hvor der<br />
produceres elektricitet <strong>og</strong> varme.<br />
Billedet ved siden af viser princippet.<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>og</strong> oxygen (luft) forsynes på hver side af en<br />
celle.<br />
Cellen består af en elektrolyt membran (PEM) med et<br />
katalyse lag på hver side.<br />
Når <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> forsynes <strong>til</strong> anode sidens katalyse lag,<br />
splittes det i dets bestanddele, en proton <strong>og</strong> en elektron.<br />
Protonen vandrer gennem membranen over <strong>til</strong> katode<br />
siden.<br />
Samtidig vandrer elektronen uden om membranen om<br />
<strong>til</strong> katode siden, fordi den ikke kan passere gennem<br />
membranen.<br />
Denne vandring af elektroner skaber elektricitet.<br />
På katode siden går protonen, elektronen <strong>og</strong> oxygen<br />
sammen <strong>og</strong> danner vand.<br />
Stakke princip<br />
Hver celle i brændselscellen leverer typisk 0,6 volt, når<br />
en belastning påføres.<br />
Celle arealet leverer typisk 0,5 ampere pr. cm2.<br />
For at opnå den nødvendige effekt i en given<br />
applikation stakkes cellerne, <strong>og</strong> derved øges<br />
spændings- <strong>og</strong> strømbidraget fra brændselscellen.<br />
Billedet ved siden af viser stakke princippet.<br />
Det er stakke princippet, som gør <strong>brændselsceller</strong> <strong>til</strong> en<br />
skalerbar teknol<strong>og</strong>i, der kan anvendes i en lang række<br />
applikationer.<br />
Bemærk venligst at principperne varierer for hver type<br />
brændselscelle. Det ovenfor nævnte princip gælder for<br />
den mest anvendte brændselscelle, PEM typen.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<br />
PEM Brændselscelle<br />
PEM brændselscelle stak<br />
7
www.miniHYDROGEN.com<br />
Brændselscelle typer<br />
Der findes en lang række forskellige brændselscelle typer, hver med deres egen driftstemperatur,<br />
brændselstype <strong>og</strong> teknol<strong>og</strong>i.<br />
Den mest anvendte er PEM brændselscellen med en driftstemperatur på 50-100 grader Celsius. PEM<br />
anvender rent <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> som brændsel.<br />
En anden brændselscelle som er under fremmarch er DMFC brændselscellen som kan køre på metanol.<br />
SOFC brændselscellen har en høj driftstemperatur på omkring 650-1000 grader Celsius, hvilket gør at<br />
den kan køre på an lang række forskellige brændsler.<br />
Tabellen nedenfor giver et overblik over de mest gængse brændselscelletyper <strong>og</strong> deres karakteristika.<br />
BC Type PEM AFC PAFC DMFC MCFC SOFC<br />
Navn<br />
Applikationer<br />
Driftstemp.<br />
grader<br />
Proton<br />
Exchange<br />
membrane<br />
Køretøjer,<br />
mobile <strong>og</strong><br />
kraftvarme<br />
applikationer<br />
Alkaline<br />
Rumfarts<br />
applikationer<br />
Phosphoric<br />
Acid<br />
Stor skala<br />
kombineret<br />
kraftvarme<br />
produktion<br />
Direct Methanol<br />
Mobile<br />
applikationer fra<br />
mikro <strong>til</strong> lille skala<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<br />
Molten<br />
Carbonate<br />
Medium <strong>til</strong> stor<br />
skala<br />
kombineret<br />
kraftvarme<br />
produktion op<br />
<strong>til</strong> MW<br />
Solid Oxide<br />
Alle størrelser<br />
af kombineret<br />
kraftvarme<br />
produktion op<br />
<strong>til</strong> multi MW<br />
50-100 50-200 Ca. 220 Ca. 70 Ca. 650 500-1000<br />
Celsius<br />
Reagerende<br />
Ion<br />
H +<br />
OH - H + H + CO3 2-<br />
O 2-<br />
Brændsel Hydr<strong>og</strong>en Hydr<strong>og</strong>en Hydr<strong>og</strong>en Metanol<br />
H2, CO <strong>og</strong>/eller<br />
CH4<br />
H2, CO <strong>og</strong>/eller<br />
CH4<br />
Celle<br />
komponent<br />
CarbonbaseretCarbonbaseretGraphitebaseret<br />
Carbon-baseret<br />
Stainlessbaseret<br />
Ceramic<br />
Katalysator Platinum Platinum Platinum Platinum/ruthenium Nickel Perovskites<br />
Elektrisk<br />
effektivitet<br />
40-50% 60% 37-42% 30-40% > 50% > 50%<br />
Celle leve<br />
time<br />
< 3000 timer < 5000 timer > 5000 timer < 3000 timer > 10000 timer > 10000 timer<br />
Anode<br />
reaktion<br />
H2 2H + +<br />
2e -<br />
H2 + 2(OH) - <br />
2H2O + 2e -<br />
H2 2H + +<br />
2e -<br />
CH3OH + H2O <br />
CO2 + 6H + + 6e -<br />
- -<br />
H2 + CO3<br />
H2O + CO2<br />
+ 2e -<br />
H2 + O - - <br />
H2O + 2e -<br />
Katode<br />
reaktion<br />
½O2 + 2H + +<br />
2e - H2O<br />
½ O2 + H2O +<br />
2e - 2(OH) -<br />
½O2 + 2H + +<br />
2e - H2O<br />
3/2 O2 + 6H + + 6e -<br />
3H2O<br />
½O2 + CO2 +<br />
2e - - -<br />
CO3<br />
½O2 + 2e - <br />
- -<br />
O<br />
Data med stor unøjagtighed som følge af forskellige data kilder, beregningsmetoder, teknol<strong>og</strong>i, system konfiguration <strong>og</strong> kommercialiserings<br />
niveau.<br />
Brændselscelle, fordele <strong>og</strong> ulemper<br />
Brændselsceller har en række fordele med store potentialer. D<strong>og</strong> ligger der en række store forsknings<strong>og</strong><br />
udviklingsmæssige udfordringer med at gøre teknol<strong>og</strong>ien kommerciel.<br />
Fordele Ulemper<br />
Høj elektrisk <strong>og</strong> total effektivitet (højere end<br />
Lav effektivitet på nuværende tidspunkt<br />
forbrændingsmotoren)<br />
Variable belastninger Store forsknings <strong>og</strong> udviklingsmæssige udfordringer<br />
Lav emission (0 emission) Kort levetid<br />
Lav vedligeholdelse da der ikke er n<strong>og</strong>en bevægelige dele Høj pris<br />
Støjsvag Få teknol<strong>og</strong>i udbydere<br />
Skalerbar teknol<strong>og</strong>i Manglende <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> infrastruktur<br />
Kombineret strøm <strong>og</strong> varme produktion Begrænset erfaringer med langtidsdrift<br />
8
www.miniHYDROGEN.com<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> transport<br />
– ren, lydløs <strong>og</strong> futuristisk<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> transport vil blive det største marked for <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> <strong>brændselsceller</strong>.<br />
I dag er transport primært baseret på olie, hvilket gør sektoren skrøbelig overfor stigende oliepriser som<br />
følge af faldende olieproduktion. Hydr<strong>og</strong>en produceret ud fra vedvarende energi anses for en løsning på<br />
disse fremtidige trusler.<br />
Meget fokus <strong>og</strong> mange ressourcer anvendes på <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>til</strong> transport globalt.<br />
De fleste bilfabrikanter har adskillige prototyper af <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>- <strong>og</strong> brændselscelle-biler kørende, <strong>og</strong><br />
adskillige <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> tankstationer åbnes årligt rundt om i verden.<br />
Californien har i dag over 20 <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> tankstationer, <strong>og</strong> 200 planlægges åbnet inden år 2010.<br />
http://www.energyindependencenow.org/<br />
Island har sat det ambitiøse mål at blive et 100% <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> samfund inden år 2050.<br />
I dag findes der en <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>tankstation i hovedstaden Reykjavik som forsyner bybusserne med<br />
<strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
http://www.newenergy.is<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> transport handler ikke kun om at imødekomme fremtidige alvorlig trusler med<br />
olieforsyningen <strong>og</strong> forurening. Hydr<strong>og</strong>en handler <strong>og</strong>så om innovation <strong>og</strong> udviklingen af fremtidens biler,<br />
som er endnu mere innovative <strong>og</strong> højteknol<strong>og</strong>iske, end dem vi har i dag.<br />
General Motors har med designet af brændselscelle bilen Hy-Wire (Vist på billederne) vist potentialerne<br />
for en kæmpe revolution af bilers design ved at bruge <strong>brændselsceller</strong>.<br />
Hy-Wire er en fuld elektronisk bil med et minimum af mekaniske dele.<br />
Hydr<strong>og</strong>en lagringstankene <strong>og</strong> brændselscellen er placeret i bunden<br />
af bilen, som er udformet som et tyndt skateboard.<br />
Det efterlader rigelig af plads oven på skateboardet <strong>til</strong> at designe<br />
en hel ny bil, Hy-Wire viser vejen frem <strong>til</strong> futuristiske biler, som vi<br />
alle har set dem i diverse science fiction film.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<br />
© Copyright billeder General Motors www.gm.com<br />
9
www.miniHYDROGEN.com<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> strøm <strong>og</strong> varme<br />
– producer din egen energi<br />
Hydr<strong>og</strong>en energisystemet vil <strong>og</strong>så gøre det muligt for alle at producere deres egen energi.<br />
Alle har adgang <strong>til</strong> vedvarende energi, som let kan produceres på små decentrale anlæg f.eks. solcelle<br />
paneler på husets tag.<br />
Brændselsceller kan installeres i enhver husstand, hvilket gør det muligt at producere både strøm <strong>og</strong><br />
varme i hjemmet ud fra naturgas <strong>og</strong> i fremtiden <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
Tanken om decentral energiproduktion<br />
går under navnet Power Pool.<br />
Billedet ved siden af viser princippet i<br />
Power Pool.<br />
Hver husstand har deres egen<br />
vedvarende energiproduktion <strong>og</strong> en<br />
brændselscelle installeret i huset.<br />
Når el-nettet mangler strøm, fordi<br />
forbruget er højt, kan hvert hus sælge<br />
strøm <strong>til</strong> de huse på nettet, som mangler.<br />
Så tanken er at konstruere el-nettet på<br />
samme måde som Internettet, dvs. små<br />
enheder spredt ud overalt, men koblet<br />
sammen i et stort netværk.<br />
Power Pool netværket vil <strong>og</strong>så indeholde<br />
små decentrale <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong><br />
elektrolyseproduktionsanlæg f.eks.<br />
installeret i garagen, så bilen samtidig kan tankes med <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>.<br />
Power Pool kan <strong>og</strong>så anvendes <strong>til</strong> at styre energiforbruget i vores husholdningsartikler. Dvs. at Power<br />
Pool kan slukke for køleskabet i n<strong>og</strong>le minutter midt på dagen, hvis strømprisen er høj, <strong>og</strong><br />
strømefterspørgslen er høj.<br />
Power Pool vil ligesom Internettet betyde en mere sikker drift <strong>og</strong> energiforsyning. Går en<br />
produktionsenhed ned, er der mange andre enheder, som kan tage over.<br />
I dag fungerer energisystemet sådan, at hvis for mange fejl opstår på samme tid, kan hele nettet bryde<br />
sammen med adskillige timers strømafbrydelse <strong>til</strong> følge. Store strømafbrydelser bliver mere <strong>og</strong> mere<br />
hyppige i takt med, at el-nettet bliver stadig større <strong>og</strong> mere komplekst, <strong>og</strong> når sin maksimale belastning.<br />
Dette har vi ikke rigtig set følgerne af i Danmark endnu, men strømudfald er bl.a. almindelige i<br />
Californien, hvor der er underskud af strømproduktion.<br />
Power Pool kan <strong>og</strong>så give mere konkurrence på energimarkedet, fordi der vil opstå flere udbydere af<br />
energi, som alle vil konkurrere om at levere energi billigst muligt.<br />
Der eksisterer sågar ideer i Power Pool regi om at bruge brændselscelle bilerne som små kraftværker.<br />
Når bilen parkeres i garagen eller P-huset, kobler den på el-nettet. Hvis der er behov for strøm, forsyner<br />
bilens brændselscelle el-nettet med strøm.<br />
Så det kan være det faktisk bliver muligt at få penge for at parkere sin bil i byen….<br />
Læs mere på om det såkaldte ”Vehicle to Grid” (køretøj på el-nettet):<br />
http://www.udel.edu/V2G/<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<br />
10
www.miniHYDROGEN.com<br />
Hydr<strong>og</strong>en <strong>til</strong> mobil energi<br />
– uudtømmelig mobil energi<br />
Fremtiden indenfor elektroniske produkter er mobilitet. Det er i dag muligt at bruge video<br />
mobiltelefoner <strong>til</strong> at afholde konferencer med kollegaer på den anden siden af jorden. Men udviklingen<br />
får ligeledes kravet om mere mobil energi <strong>til</strong> at stige. Så for at fortsætte udviklingen mod mobilitet,<br />
bliver teknol<strong>og</strong>iskifte <strong>til</strong> <strong>brændselsceller</strong> mere <strong>og</strong> mere relevant.<br />
De bedste batteriteknol<strong>og</strong>ier når deres teoretiske begrænsninger for deres energikapacitet, mens nye<br />
teknol<strong>og</strong>ier som <strong>brændselsceller</strong> endnu kun har vist ganske lidt af deres store potentialer.<br />
Ved at bruge en DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) <strong>og</strong>så kaldes en metanolbrændselscelle, vil<br />
energikapaciteten i et batteri kunne forøges <strong>til</strong> 10 gange større end kapaciteten på de bedste batterier.<br />
Om få år vil DMFC <strong>brændselsceller</strong> <strong>til</strong> mobiltelefoner, bærbare computere <strong>og</strong> andet transportabel udstyr<br />
blive lige så almindelige, som de batterier vi anvender i dag.<br />
Brændselsceller har generelt et rigtig godt potentiale for at erstatte batterier i en række produkter, da<br />
energidensiteten er høj i <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong> <strong>og</strong> metanol. Brændselsceller har <strong>og</strong>så den fordel, at de bliver ved med<br />
at producere strøm, lige så længe der <strong>til</strong>føres <strong>hydr<strong>og</strong>en</strong>/metanol. Derfor vil opladning af en mobiltelefon<br />
ikke tage mere end n<strong>og</strong>le få sekunder.<br />
På billedet herunder kan et område for anvendelse af metanol<strong>brændselsceller</strong> ses.<br />
Der sker i disse år en kraftig forskning <strong>og</strong> udvikling for at få de nye produkter baseret på<br />
<strong>brændselsceller</strong> ud på markedet i de produkter, der i dag bruger almindelige batterier.<br />
Der vil <strong>og</strong>så være n<strong>og</strong>le tidlige markeder, hvor <strong>brændselsceller</strong> hurtigt vil overtage fra batterier. Det<br />
gælder fx batterier på øde steder, hvor det er dyrt <strong>og</strong> besværligt at oplade dem, eller steder hvor<br />
nuværende batterier ikke har lang nok levetid. Dette gælder bl.a. for markedet for UPS anlæg, der<br />
typisk er <strong>til</strong>koblet computere, der ikke må gå ned, hvis strømmen skulle forsvinde.<br />
Det tyder i øjeblikket på, at de små markeder indenfor mobil strøm vil blive de første markeder, hvor<br />
man vil se <strong>brændselsceller</strong> i masseproduktion, <strong>og</strong> det forventes at denne udvikling vil trække udvikling<br />
af <strong>brændselsceller</strong> <strong>til</strong> transport <strong>og</strong> strømproduktion hos den enkelte forbruger med i gang.<br />
En service fra www.miniHYDROGEN.<br />
11
Change language