O l e T r i n h a m m e r - Fysik

fys.dk

O l e T r i n h a m m e r - Fysik

O l e T r i n h a m m e r

E v i g E n e r g i ?

- brændselsceller og brintsamfundet

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H 2

H

H

2

H

2

2


EVIG ENERGI?

- brændselsceller og brintsamfundet

Ole Trinhammer

FYSIKFORLAGET

2005

1


2

EVIG ENERGI?

- brændselsceller og brintsamfundet

(C) 2005 Fysikforlaget og Ole Trinhammer

Redaktion

Bjarning Grøn

Layout og illustrationer

Niels Elbrønd Hansen

Omslagsfoto

Søren Frederiksen A/S

Copyright

Kopiering fra denne bog må kun finde sted på

institutioner, der har indgået aftale med Copy-

Dan, og kun inden for de i aftalen nævnte

rammer.

Tryk

Budolfi Tryk Aps, Aalborg

1. oplag

ISBN 87-7792-027-9

Fysikforlaget 2005

Billedleverandører:

1 og 36 NASA og DMSP v/Arthur L. Nash

2 E.ON Informationszentrum,

www.solarwasserstoff.de v/Rosa Schafbauer

3 og 13 Søren Frederiksen A/S,

v/Steen Ellemose og Gunnar Hansen

4 Elsam, Eltra v/Torben Bülow

5 Espersen Rådgivende Ingeniører,

v/Torben Espersen og

Teknologisk Institut v/Ivan Katic

7, 15, 17, 26c og 27

Ole Trinhammer

8 Daimler-Chrysler

v/Sybille Niegel og Stefan Schuster

9 Sunslates, Dansk Eternit

v/www.atlantisenergy.org/sunslates2.html

10 Elsam

v/Lars Lærkedahl og Sanne Sørensen

11, 12, 26b

www.aviationtomorrow.com

v/Maciej “Mac” Zborowski

14a h-tec v/Sabine Heise-Krüger

19a og 23a

IRD Fuel Cells a/s, Svendborg

v/Charlotte Jørgensen og John Kaas

23b, 25a og 25b

Siemens v/Gudrun Knobloch, Renate Kirch-

ner, Wieland Simon, Josef Lersch

24a RISØ v/Mogens Mogensen og

Leif Sønderberg Petersen

26a Niels Elbrønd Hansen

33 MiniHydrogen v/Jacob Hansen

34a, 34b og 34d

General Motors v/Ole Poulsen, DK

34c Joe Zeff Design Inc. og Scientific American

35 Connex, Malmø v/Gert Magnusson

Forlaget har søgt at finde frem til alle rettighedshavere

i forbindelse med brug af billeder.

Skulle enkelte mangle, vil der ved henvendelse til

forlaget blive betalt, som om aftale var indgået.


Indholdsfortegnelse

1. ET EVIGT KREDSLØB AF ENERGI? 5

Indledning 5

Behov og resurser 7

BOREPLATFORM Drivhuseffekt 10

Sol og brint - en langsigtet løsning 10

Opgaver 12

2. BRÆNDSELSCELLER 13

Ren og lydløs elforsyning 13

Elektrodeprocesserne for en PEM-celle 15

Kontrolleret forbrænding 15

Miljømæssige fordele 16

Total virkningsgrad 17

Indre modstand 18

BOREPLATFORM Polarisationsmodstand 19

Maksimal effekt 20

Kompromis mellem effekt og virkningsgrad 20

Elektrolyse 21

Lidt historie 22

Forskning og teknologisk udvikling 22

Fremtid 24

BOREPLATFORM Lagring af brint 25

Opgaver 26

3. PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET? 28

Samfundsudvikling i perspektiv 28

Menneskehed og Jordklode 29

BOREPLATFORM Reserver eller resurser 30

BOREPLATFORM Fossile energikilder 30

BOREPLATFORM Solpletaktivitet og klima 30

Energi, klima, penge og politik - Kyoto-aftalen 34

Samfundsøkonomi kontra privatøkonomi 35

Indsats på mange fronter 35

Tidshorisont 37

BOREPLATFORM Geologisk tidsskala 38

BOREPLATFORM Til diskussion 38

Opgaver 40

4. ØVELSER 42

1. Brændselscellens effekt og virkningsgrad 42

2. Brændselscellens belastningskarakteristik 44

SMÅØVELSER 45

– 3. Brintbilen – 4. Mængdeforhold ved elektrolyse

– 5. Reaktionsforhold i brændselscellen

PROJEKTER 45

– 6. Faradays love – 7. Virkningsgrad ved elektrolyse

– 8. Energilagring. Det ideelle energikredsløb

– 9. Opfinderprojekt - ‘cirkeltank’

LITTERATUR 46

STIKORD 47

3


4

Forord

Denne bog er skrevet til Fysik C på gymnasialt niveau.

På bogens hjemmeside evigenergi.fys.dk findes der uddybende

materiale, der også kan udfordre eleverne på Fysik

B og Fysik A. Tre bøger, Brændselsceller og brintsamfundet,

Solceller samt Evighedsmaskiner er samlet under en

fæl les betegnelse, Evig energi? Man ser både eksempler

på kreativ snilde, teore tiske modeller og naturlovene bag

udfoldelsen af menneskets virkelyst.

Ideen er at vise, hvilke muligheder der er for at realisere

brintsamfundet, hvis “blot” effektiviteten af solceller og

brændselsceller forbedres. Med brintsamfundet menes

et bæredygtigt samfund med en stor andel af vindmøller

og solceller, hvor overskudsstrøm bruges til produktion

af brint fra vand. Brinten anvendes så i brændselsceller i

biler og kraftværker, og vandet gendannes. En slags “evighedsmaskine”

i praksis.

I løbet af de år, der er gået, mens denne bogserie blev til,

har mange nye ideer om solceller set dagens lys, og bilfabrikkerne

er begyndt at interessere sig for brændselsceller.

Jeg håber, at eleverne vil tiltrækkes af det offensive i projektet

– og indse, at selv om naturen sætter nogle grænser,

er der stadig et stort spillerum for fantasi og kreativitet.

Her kan man faktisk gøre noget for en renere energiforsyning.

Kapitel 1 giver et overblik over verdens energibehov og

sætter det i forhold til den totale solindstrå ling.

Kapitel 2 beskriver brændselscellers og elektrolysecellers

funktion. Belastningskarakteristik, maksimering af effektivitet

eller effekt i anvendelser. Historie, forskning og

fremtid.

Kapitel 3 beskriver argumenter for samfundsmæssige tiltag

på vej mod brintsamfundet med CO 2 ­kvoter og Kyotoaftale.

Der afsluttes med oplæg til diskussion.

Opgaver findes i hvert kapitel og facitliste på hjemmesiden.

Hjælpebrikker giver små fiduser og matematisk støtte.

Boreplatforme lægger op til fordybelse og kan måske inspirere

til gruppeforedrag og internetsøgning. Vejledninger til

øvelser og projekter findes bagerst i bogen.

Taksigelser: Mirka Smrcinova og Torben Amtrup for faglige

og pædagogiske råd undervejs. Dorthe Wildt Nielsen,

Syddansk Universitet for kommentarer til kapitel 1. Ole

Schmidt, Amtsgymnasiet i Hadsten og hans elever for

ideer til arbejdsspørgsmål og vejledninger i forbindelse

med kapitel 2. Anette Kruhøffer, tidligere kollega for et

oplæg om brændselceller. Mogens B. Mogensen, RISØ for

gennemlæsning af kapitel 2 i en tidligere udgave. Jørgen

Kofoed Jensen, kollega for kommentarer i forbindelse

med kapitel 3. Kai Møller Nielsen, tidligere kollega for

kritisk sprog lig gennemgang af hele bogen. Fysikforlagets

bistand og inspiration i arbejdet fra Bjarning Grøn og Niels

Elbrønd Hansen har givet mig tryghed i processen. Ingeniørens

dygtige skribenter; artikler, som jeg specielt har støttet

mig til, er nævnt på hjemmesiden. Søren Linderoth, RISØ,

Ralf Ploug Hansen, Københavns statistiske kontor, Claus

Martinussen og Claus Reimer, Københavns Energi A/S,

Per Thorkildsen, Oliebranchens Fællesrepræsentation,

Niels Clausen og Thomas Scott Lund, Avedøreværket,

Rolf Baden og Peter Simonsen, Kyndbyværket, Elo Godsk

Hansen, Enstedværket, Jens Bengtsson, Energistyrelsen.

Samtidig de mange billedleveran dører, som frit har stillet

materiale til rådighed. Sidst men ikke mindst mine elever,

som har prøvekørt de første udgaver.

Frederiksberg, december 2004

Ole L. Trinhammer


Kapitel 1

Indledning

I årtusinder har mennesker opfundet redskaber,

der kan lette arbejdet og udføre førhen umulige

opgaver. Arbejdsevnen blev først øget ved at

bruge trækdyr, fx ved pløjning. Senere kom

egentlige arbejdsmaskiner til. Princippet er, at

maskiner kan lette arbejdet fordi de omsætter

energi ­ i form af foder (til trækdyr), brænde,

strømmende vand, blæst, kul, olie, kernekraft og

sollys. Tænk, hvis man helt kunne slippe for at

“putte noget i maskinen”. Tænk at opfinde en

maskine, der kan køre af sig selv, måske endda

levere et overskud af arbejde, mens den kører?

ET EVIGT KREDSLØB AF ENERGI?

Figur 1

Den umulige drøm har

fået luft under vingerne.

Helios, der er udviklet af

NASA til langtidsobservationer

højt i atmosfæren,

svæver ved lysets kraft.

Flyets motorer får energi

fra solceller på oversiden

af vingen. Fra 2003 arbejder

man på at medbringe

vand, så energi kan gemmes

til brændsels celler,

der kan drive flyet om

natten.

Tanken har fascineret i århundreder og gør det

stadig, selv om vi nu er ret sikre på, at det er

umuligt. Du kan læse om en række historiske

ek sempler på ideer til evighedsmaskiner i en bog

i serien om Evig Energi? Nogle af maskinerne

er ikke svære at gennemskue, men for andre kan

det være vanskeligt at forklare, hvorfor de ikke

virker i praksis. Men de “er” umulige. Lige så

umulige som at varme af sig selv skulle strømme

fra et koldt til et varmt legeme. Drømmen om

evig energi er og bliver en drøm.

5


6

Solens energi

opsamles på

store solpaneler.

Brint og ilt fremstilles

ved at

spalte vand ved

elektrolyse.

Brint

Ilt

Vedvarende

energi

Brint og ilt lagres

til senere anvendelse.

Figur 2

Solbrint - det ideelle

ener gikredsløb. Det tyske

forsk nings cen ter Solar-Wasser stoff-

Bayern skabte et rent kredsløb, hvor

solenergien kunne lagres og udnyttes,

når man havde brug for den. Det

evige energi-kredsløb er dog ikke en

evighedsmaskine. Det er Solen, der

driver værket. Sollyset inde hol der otte

tusinde gange vores behov for energi

i dag. Og Solen vil fort sætte med at

Ilt

Brint

Brinten anvendes

i bilmotorer.

Restproduktet

bliver vand.

Vand

skinne i milliarder af år endnu. Det koster

“kun” investering i udstyr at udnytte det.

Strøm fra vindmøller kan også drive

kredsløbet. Din generation vil hjælpe

med at bringe prisen på udstyr ned. Der

er ingen teore tiske hindringer for, at det

kan lade sig gøre. Det eneste, der mangler,

er nye ideer og billigere teknologi.

Alligevel er der de seneste år kommet skred i en

udvikling, der smager lidt af drømmen ­ nemlig

i produktion af elektricitet fra sollys i solceller.

Cellerne virker, blot det er lyst, også når solen

ikke skinner fra en skyfri himmel. Så er udbyttet

dog mindre. Elektriciteten kan udnyttes straks

eller gemmes som brintbrændsel ved at man

leder strøm gennem vand, der så spaltes i ilt

og brint, som opsamles. Når man på et senere

tidspunkt skal bruge energi, lader man brinten

reagere med ilt i brændselsceller, der producerer

strøm. Affaldet er vand, som kan spaltes igen

af overskudsstrøm fra solceller. Og så videre.

Se det ideelle energikredsløb i brintsamfundet i

figur 2.

Jeg vil beskrive brændselsceller i denne bog

og solceller i en anden. Men først vil jeg give en

fælles appetitvækker ved at pege på, hvor svimlende

mulighederne er. Vi ved nemlig, at Solen

vil lyse stabilt i cirka seks milliarder år endnu

med en intensitet, der er godt otte tusinde gange

så stor som det forbrug, vi har i øjeblikket. Hvis

vi kan udnytte blot en brøkdel af en procent af

sollyset, har vi altså rigeligt.


Land

USA

Japan

Danmark

heraf el

Europa

Rusland

Kina

Indien

Mocambique

heraf el

Verden

Forbrug pr. person

(1995)

W

11.200

5.700

5.000

690

4.800

4.000

900

370

400

5

2.100

Verden (50 år frem ? ) 22.400

Tabel 1

Oversigt over effektforbrug i forskellige

dele af verden. Den gennemsnitlige

sol ind stråling er 100 - 250 W/m2 afhængig

af breddegraden. For Danmark er

det 100 W/m2 , se figur 6.

Befolkningstal Areal

246.000.000

122.000.000

5.300.000

660.000.000

147.000.000

1.072.000.000

781.000.000

15.000.000

5.900.000.000

11.800.000.000

km2 9.373.000

378.000

43.000

6.290.000

17.075.000

9.597.000

3.167.000

799.000

150.000.000

150.000.000

Figur 3

Kredsløbet i figur 2 kan

studeres i skolelaboratoriet.

Fra venstre ser man

solcellepanel, elektrolysecelle,

brændselscelle og

motor.

Tabel 2

Økonomi og effekt i forskellige

lande. Bruttonationalproduktet

(BNP) er

et mål for, hvor megen

værdi, der produceres i

et land i løbet af et år.

USA bruger dobbelt så

meget effekt til at producere

samme værdi som

fx Danmark.

Forbrug

W/m2 *)

1,84

0,62

0,09

0,50

0,04

0,10

0,09

*)

0,08

1,76

Solindstråling

W/m2 *)

200

100

140

100

210

230

*)

200

200

Forbrug i promille

af solindstråling

*)

9,2

6,2

0,9

3,6

0,4

0,5

0,4

*)

0,4

8,8

*) se opgave 103

Behov og resurser

Danskerne bruger cirka 5.000 watt pr. person,

dvs. 5.000 joule i sekundet, se tabel 1. Til sammenligning

omsætter din krop cirka 100 watt

fra det du spiser og drikker. De 5.000 W indbefatter

energi til industriproduktion, både varme

og elek tricitet samt energi til transport. Det er

altså Danmarks samlede effektforbrug divideret

med indbyggertallet.

Hvis vi sammenligner USA og Verden, ser vi i

runde tal, at effektforbruget pr. person i USA

er fem en halv gange så stort som verdensgennemsnittet.

Hvis vi sammenligner USA med Japan,

Danmark eller Europa, er der noget, der

tyder på, at man i USA frådser med energien.

Dette bekræftes ved at sammenligne landenes

Land

USA

Japan

Tyskland

Danmark

BNP pr. indbygger

(1998)

US$

32.900

32.200

26.200

32.800

Effektforbrug

pr. indbygger

W

11.200

5.700

-

5.000

7


8

Antal år, hvor energireserven kan dække Verdens effektforbrug på:

Kul

Råolie

Naturgas

Uran

i alm. reaktor

Uran

i formeringsreaktor

Tung brint

i fusionsreaktor

Brint i Solen

leverer sol og vind på Jorden

Tabel 3

Kendte og tilgængelige

energireserver målt i det

antal år, de kan dække

Verdens effektforbrug på

det nuværende niveau

samt på USA-niveau med

en fordoblet verdensbefolkning.

USA-niveau for hele

nuværende niveau Verden og fordoblet

verdensbefolkning

270

40-50

60-70

40-50

2.400 - 3.000

> 1.000.000.000

6 - 7.000.000.000

Figur 4

Vindbrint?

Ved sammenkobling med

en elektrolysestation og

et brintlager bliver en

vindmøllepark til et

kraft værk, der kan reguleres.

Man kan bruge

strømmen direkte, når

der er behov, eller lave

brint, når man har overskud

af strøm. Så slipper

man for at skulle sælge

strømmen alt for billigt.

Her ses en række 2 MW

møller i Elsams havmøllepark

på Horns rev.

27

4 - 5

6 - 7

4 - 5

240 - 300

> 100.000.000

6 - 7.000.000.000

Tabel 4

Temperaturstigninger

som følge af forøget

energiomsætning.

Bemærkningerne

ud dybes på hjemmesiden.

Energiomsætning

i millisol

1 “sol” = 200 W/m 2

1.000

100

10

1

1/10

HJÆLPEBRIK Energi eller effekt?

I daglig tale siger man energiforbrug

(joule), men energi kan ikke forbruges,

kun omdannes. Fx fra kemisk energi i

brændslet til elektrisk energi og varme i

en brændselscelle. Man burde derfor tale

om effekt (watt), som er omsat energi pr.

tidsenhed (watt = joule pr. sekund). En

brødrister på 500 W omsætter 500 joule pr.

sekund fra elektrisk energi til varme. Den

bruger en effekt på 500 W, sålænge den

er tændt.

bruttonationalprodukter (BNP), som er et udtryk

for, hvor produktive og rige landene er, se tabel

2. USA’s bruttonationalprodukt pr. indbygger er

ikke dobbelt så stort som DK’s selv om deres

effektforbrug er det. De producerer cirka den

samme værdi pr. indbygger som os, men de

bruger cirka dobbelt så meget effekt til at gøre

det. Kort sagt udnytter de kun energien halvt så

godt som vi gør. De producerer knap 3 dollars

pr. watt mens vi i Danmark producerer godt 6

dollars pr. watt.

Hvor meget energi har Verden så brug for på

længere sigt? Det er meget vanskeligt at svare

på, for der er åbenbart ikke proportionalitet mellem

levestandard og energiforbrug. Gennem de

sidste mange år har man nemlig lært at spare

på energien i industrien ved at udvikle mere

energieffektive maskiner, så det ikke går ud over

produktionen. Sådanne besparelser vil sikkert

også slå igennem i USA på længere sigt, for

energi koster penge.

Global

temperaturstigning

i °C

39

4

0,5

ubetydelig

ubetydelig

Bemærkninger

“hede have”

“tropisk klima”

drivhuseffektniveau

DK-niveau

verdensniveau


I tabel 3 er vist en oversigt over de tilgængelige

energireserver, vi kender. Det er måske overraskende,

at der kun er olie, gas og uran til cirka

50 års forbrug på det nuværende niveau.

Derimod er der rigeligt med solenergi. Solen

indstråler typisk 200 W/m 2 , se figur 6. I Danmark

er tallet cirka 100 W/m 2 . I fuldt solskin er

intensiteten 1.000 W/m 2 vinkelret på strålingen.

Ser man hurtigt på figuren, ville man tro, at

verdensgennemsnittet var cirka 150 W/m 2 , men

grafen “snyder”, for der er meget mere areal ved

breddegraderne omkring ækvator end omkring

de polare breddegrader. Hvis man vil beregne,

hvor stor en indstrålet effekt P (watt, P kommer

af engelsk ‘power’), der modtages på et givet

areal A (m 2 ), skal man blot gange intensiteten I

(W/m 2 ) med arealet, så vi har sammenhængen

P = I ⋅ A eller

I =

P

A

=

HJÆLPEBRIK

Effekt pr. areal

Man behøver kun at huske I =

P

A

(1)

, og

det kan man ved hjælp af enhederne W/m 2 .

Den anden formel kan man finde ved at

gange med A på begge sider.

Intensitet i W/m 2

250

200

150

100

50

0

- 90 - 60 - 30 0 30 60 90

S Æ DK N

Figur 6

Solindstrålingens geografiske

fordeling, gennemsnit

over dag/nat,

skydække og årstid. Tallene

gælder for indstråling

på en vandret flade. På

høje nordlige breddegrader

kan indstrålingen på

fx et solpanel øges ved at

stille det på skrå mod syd.

Breddegrad

Den isolerende drivhusvirkning af de sidste

200 års menneskeskabte CO 2 ­udledning anslås

af FN’s klimapanel til 2,5 W/m 2 . Det svarer

til 12,5 promille af den gennemsnitlige solindstråling,

så drivhuseffekten har samme virkning,

som hvis solen skinnede 12,5 promille

kraftigere. På me get langt sigt skal man også

tænke på intensiteten af selve energiforbruget.

Fx ligger Japans forbrug 1,84 W/m 2 på niveau

med drivhuseffekten. Sammenhængen mellem

intensitetsforøgelse og Jordens gennemsnitstemperatur

er vist i tabel 4. På hjemmesiden

kan du læse mere om langsigtede perspektiver i

energiforsyningen og Jordens varmebalance. En

langsigtet fordel ved solenergi er, at anvendelsen

ikke bidrager til drivhuseffekten (ingen CO 2 ­

udledning). Og opvarmningen af jordoverfladen

ændres heller ikke nævneværdigt. Man udnytter

jo kun den stråling, der i forvejen kommer

fra Solen, og hustage opfanger i forvejen lige

så meget solstråling som solceller gør. Jordens

albedo, refleksionsevne, ændres altså ikke

væsentligt, hvis cellerne placeres på tagene.

Figur 5

Solceller ved Matterhorn,

Zermatt, Schweiz. Solcellerne

kan holde i ca. 25

år uden vedligehol delse.

De skaber strøm, når de

befinder sig i lys, ikke

nødvendigvis sollys.

9


10

BOREPLATFORM Drivhuseffekt

Drivhuseffekt er navnet på atmosfærens

isolerende virkning. Luften i atmosfæren

opsamler varme fra jorden ligesom en

dyne. Solen stråler gennem luften ned på

jorden, som varmes op. Jorden sender

energien tilbage som varmestråling, der

ikke trænger så godt gennem luften.

Atmosfæren virker som glasset i et drivhus.

Man deler drivhuseffekten op i den

naturlige og den menneskeskabte. Den

naturlige drivhuseffekt er nødvendig for

livet på Jorden. Hvis luften ikke virkede

som en dyne ville gennemsnitstemperaturen

på overfladen være -15°C. Havene

ville være stivfrosne, og der ville næppe

være liv på vores klode. Den menneskeskabte

drivhuseffekt stammer fra afbrænding

af kul, olie og naturgas, hvor der

ud vikles kuldioxid, CO 2, som øger luftens

varme op ta gelse. Man er bange for, at den

men ne skeskabte drivhuseffekt nu har nået

en størrelse, som påvirker klimaet, fordi

isen på polerne er begyndt at smelte.

Læs mere på hjemmesiden om Jordens

varmebalance.

Sol og brint, en langsigtet løsning

Hvis man vil udnytte elektricitet fra solceller i

stor stil, må man finde en smart måde at gemme

den på, til man har brug for den. Næst efter

prisen på solceller er det den største hindring

på længere sigt. I brintsamfundet lagres elektrisk

energi i spaltet vand. Overskudsstrøm fra fx solceller

bruges nemlig til ved elektrolyse at spalte

vand i brint og ilt. Brinten udnyttes siden i en

brændselscelle, der leverer strøm, når man har

brug for den. Det er denne løsning, bogserien

Evig Energi? handler om.

Jeg er overbevist om, at elektricitet fra sollys

på denne måde en dag vil udgøre den største

energikilde. Om det bliver i min levetid, ved

Figur 7

Tankstation for brintbusser

i Malmø, Sverige.

Indviet i 2003. Samme år

fik Island sin første tankstation

for brintbusser i

Reykjavik.

Figur 8

F-cell er Daimler-Chryslers

brændselscellebil

klasse A, som blev godkendt

i Japan i 2003.

Tokyo fik sine første 5

tankstationer for brint i

2003. Varevognen til

højre er verdens første

brænd sels cellebil Necar 1

fra 1994. Necar står for

‘new electric car’.

jeg ikke, men jeg tror afgjort, at det bliver i din.

Der kræves stadig meget forskning. En storstilet

udnyttelse er på vej, men lader dog vente på

sig, fordi solceller er for dyre til rigtigt at kunne

konkurrere. I mellemtiden kan man forestille

sig, at vindmølleparker udstyres med elektrolysestationer

og brintlagre. Dermed kan man bedre

regulere elproduktionen, så eventuelle overskud

ikke går til spilde. Og man skubber samtidig på

udviklingen af billigere brændselsceller.

På langt sigt kan man forestille sig et brintsamfund,

hvor kraftværkerne er både fordelingscentraler

og elektrolysestationer. Elektricitet fra

lokale solcelle­, vindmølle­ og bølgekraftanlæg

fordeles herfra mellem forbrugerne. Og hvor

tank vogne henter brint til transportsektoren.

Eller måske hentes brinten i pulverform som

såkaldte metalhydrider. Når der er overskud af

elektricitet produceres brint i elektrolyseceller.

Når der senere er underskud af elektricitet,

bruges brinten i brændselsceller. Brændselscellerne

kan være store anlæg på kraftværkerne,

hvor de allerede har vist sig rentable. Visse typer

kan bruges både som brændselsceller og elektro­


lyseceller (“reversible” celler). De kan også være

bygget ind i biler, som i dag er under udvikling.

Bilerne kan indgå i forsyningsnettet ved at være

tilkoblede, når de ikke bruges til transport. Der

er så meget overskudskapacitet i bilmotorerne, at

Californiens biler ville kunne forsyne staten med

elektricitet, hvis blot 1/25 af statens biler var

koblet til lysnettet og lavede strøm fx mens de

var parkerede. Man har opgjort, at biler står stille

i 90% af tiden.

Solenergien er i øvrigt ikke begrænset af, hvor

meget af den, vi udnytter. Solen skinner jo, og

forbruger altså sit brændsel, hvad enten vi vil

det eller ej. Solenergi er i den forstand en “evig”

energikilde, hvor “evig” skal forstås som hele

Jordens levetid. Processen kan køre så længe

Solen skinner som nu, det vil sige i godt 6 milliarder

år. Det er ikke en evighedsmaskine, men

det er alligevel temmelig længe! Med dette lange

perspektiv, tager vi en tur ind i brændselscellens

teknologi. Sammen med solceller er det den

mulige drøm om næsten evige maskiner.

Figur 9

Solceller indbygget

di rek te i tagdækningen

spa rer penge til montering.

Hvis prisen på cellerne

også kan bringes

ned, kan udviklingen tage

fart. Produktet her hedder

Sunslates.

Figur 10

Kraftværk med brænd -

sels celler, Westervoort,

Holland. Et samarbejde

med det danske Elsam.

Verdens største anlæg i

2000. Det omdanner 46

% af energien i brændslet

til el, og leverer i gennemsnit

110 kW. Værket er

senere flyttet til RWE i

Essen. Det ejes af Siemens-Westinghouse.

Figur 11

E-plane er under udvikling

på Worcester Polytechnics

Institute, USA. Der er

tale om et undervisningsprojekt.

Man håber flyet

letter i 2004.

Figur 12

Et kig under motorhjelmen på brændselscelle flyet

E-plane, der skal flyve på brint. Ved an vendelse i

fly er det særlig vigtigt, at cellerne ikke vejer for

meget i forhold til den effekt, de kan levere.

Her fås 10 kW ved 135 V fra hver af de to cellestakke

til elmotoren. Flyet medbringer knap 2 kg

brint ved et tryk på 340 atmosfære. Det rækker til

to timer. Marchhastig heden bliver knap 140 km/h.

11


Opgaver ET EVIGT KREDSLØB AF ENERGI?

101

Beskriv de enkelte led i figur 2.

Hvor omformes ener gien, hvor lagres den, hvordan transporteres

den?

102

Energiomsætningen for piger (15-18 år) er i gennemsnit

9,0 MJ (megajoule) i døgnet og for drenge 11,5 MJ.

M (mega) = 10 6 .

Beregn omsætningen i watt (joule pr. sekund).

103

a. Kontrollér tallene for Danmark i de sidste 3 søjler af

tabel 1.

b. Færdiggør tabel 1 for USA (37 °N) og Mocambique

(25 °S).

104

I 2002 var Danmarks elforbrug 115 PJ (petajoule,

P (peta) = 10 15 ).

a. Vis, at dette svarer til en gennemsnitseffekt på 3,65 GW

(gigawatt, G (giga) = 10 9 ).

b. Hvor mange kvadratmeter solceller med en effekti vitet

på 15 % kræves for at dække dette forbrug, når

indstrålingen sættes til 100 W/m 2 .

c. Giv et skøn over Danmarks bebyggede areal og vurdér

om solcellerne vil kunne være på tagene.

105

Jordens overfladeareal kan beregnes som 4πr 2 , hvor r

= 6.367 km er Jordkuglens radius. Den gennemsnitlige

indstråling er 200 W/m 2 ved jordoverfladen.

Vis, at den samlede indstråling er godt otte tusinde gange

det, vi bruger til menneskelig aktivitet (brug også oplysninger

fra tabel 1).

106 Brug tagene!

Danmarks bebyggede areal var 461 km

12

2 i 2002.

Vis, at Danmarks elforbrug i tabel 1 svarer til knap 1

promille af solindstrålingen, og at det vil kunne dækkes

ved at benytte solceller med en effektivitet på 10 %, der

dækker 1 % af landet, svarende til netop det bebyggede

areal. (DK’s areal er 43.000 km 2 ).

107 Effekttætheden i Københavns kommune.

a. Tror du Københavns effektforbrug pr. m 2 er større eller

mindre end landsgennemsnittet? Begrund dit svar.

b. Tror du Københavns effektforbrug pr. person er større

eller mindre end landsgennemsnittet? Begrund igen dit

svar.

c. Beregn nu forbruget i W/m 2 og i W pr. person. Du skal

bruge følgende oplysninger: Kommunens areal er 88,25

km 2 og i 1998 var indbyggerantallet 419.082. Elforbruget

var 2.357 GWh. (G = 10 9 , 1 Wh er 3600 Joule). Fjernvarmeforbruget

var 4.308.332 MWh og by gasforbruget var

34,3 mio. m 3 . Brændværdien er cirka 16 MJ/m 3 (M = 10 6 ).

Benzinforbruget kan skønnes på grundlag af det samlede

danske forbrug på 2.600 mio. liter, idet det sættes i forhold

til Danmarks samlede indbyggertal i 1998 på 5.294.860.

Benzinens brændværdi er 42,7 MJ/kg og massefylden kan

sættes til 0,75 kg/L. Hertil kommer diesel samt olie

og petroleum til centralvarme. Oplysninger herom har

ikke kunnet fremskaffes, men det er formentlig kun

mindre bidrag. Mere alvorligt er, at det ikke vides, hvor

meget af spildvarmen fra el-produktionen, der har kunnet

udnyttes til fjernvarme. Et skøn kunne være at 40 % af

brændselsenergien leveres som el, 30 % som fjernvarme

og 30 % tabes.

d. Beregn forbrug i promille af solindstråling og sammenlign

med tabel 1 og 4.

108

Beregn effekttætheden i din kommune ved at indhente

oplysninger som i opgave 107. Hvis du bor i Københavns

Kommune, kan du fx undersøge Frederiksberg Kommune.

Man kan starte med at forhøre sig hos Teknisk Forvaltning.


Kapitel 2

Ren og lydløs elforsyning

Brændselsceller omdanner energien i et brændsel

til elektrisk energi, lydløst. Omdannelsen sker

uden en egentlig forbrænding med varmeudvikling.

Derfor kan omdannelsen i princippet

gøres mere effektiv end på kraftværker og i bilmotorer.

Det er miljømæssigt en fordel. Benyttes

celler til brint fås kun vand som “affald”. Endnu

er brændselsceller for dyre til at anvende i stor

skala. Der kræves stadig en del forskning, og

Danmark er med. Her skal du lære om grundlaget

for teknologien. Tidshorisonten er nogle

tiår, så din generation vil sikkert bidrage med nye

ideer.

BRÆNDSELSCELLER

Figur 13

Skolemodel af brændselscellebil.

Cellen er ca.

3 cm x 3 cm og sidder

mellem de to cylindre.

1) Vand i cylindrene, ledninger

til et 2V­solpanel.

Cellen laver brint og ilt

ved elektrolyse. Gasserne

opsamles i cylindrene.

2) Flyt cellen til bilen.

Cellen er nu brændselscelle.

Gasser ne om ­

sæt tes tilbage til vand.

Bilen kører ­ næsten uden

støj og helt uden røg.

Brændselsceller er i princippet en variant af et

almindeligt element - eller batteri, som vi siger

i daglig tale. I et batteri er stofferne, der skal

reagere, gemt inde i batteriet. Når stofferne er

brugt skal batteriet smides væk eller lades op

igen. I brændselsceller derimod, tilføres ilt og

brændsel udefra. De skal altså ikke lades op, men

kan køre uafbrudt. De er en slags “evighedsbatterier”.

Brændselscellen har to elektroder (+ og -) og

en elektrolyt, der adskiller elektroderne. Elektroderne

leder elektroner. Elektrolytten leder ioner

men ikke elektroner. Cellen producerer elektri-

13


14

citet, når den tilføres stoffer, der kan reagere

kemisk. Det kan være brint (hydrogen) og ilt

(oxygen). Ved den ene elektrode tilledes brint.

Denne elektrode bliver negativ, fordi brint gerne

vil afgive elektroner. Ved den anden elektrode,

som bliver positiv, tilledes atmosfærisk luft, der

indeholder ca. 20 % ilt. Resten af luften, der

hovedsageligt består af kvælstof (nitrogen) samt

H

2

-

-

+

H

H +

-

-

O 2

H O

2

Figur 14 a

En brændselscelle i “exploded

view”. De to sorte,

hullede plader er elektroderne

og i midten er

elektrolytten, som er nogle

cm høj og bred. De

kraftige skruer tjener til at

lukke cellen lufttæt.

Figur 14 b

Skitse af brændselscelle i

samlet tilstand. Den ydre

belastning (motor, elpære

osv.) tilkobles med ledninger

til elektroderne.

Brændsel (brint) og luft

(ilt) tilledes i rør udefra.

H2

-

-

+

H

H +

-

-

O 2

H O

2

anode katode

polymer

elektrolyt

H 2

H +

mindre mængder af andre gasser, er uden betydning.

Man kan også tillede ren ilt.

Elek tro derne skal være porøse. Derved kan der

trænge gas ind i dem. Samtidig får de en stør-

­re­over­fla­de,­hvorpå­reaktionen­kan­foregå.­­

End vi de re skal de naturligvis være gode til at

lede elek trisk strøm. Også elektrolytten skal

kulpartikler

Figur 14 c

Tværsnit af PEM celle.

De to elek t ro der er porøse “kultæpper” med

platin korn. H 2 vil gerne forenes med O 2 til H 2 0.

Det kan kun ske ved at H 2 skilles ad så 2 H +

og 2 e ­ løber hver sin vej til O 2 , dvs. H + gennem

elektrolytten og e ­ gennem den ydre belast

ning. Det giver strøm.

O 2

H 2 O

H 2

4 H +

4 e -

2 e -

2 H +

platinkatalysator

O 2

H 2 O


kun ne lede den elektriske strøm i form af ioner

(det lig ger i navnet elektrolyt). Elektrolytten

er uigennemtrængelig for gas og elektroner og

kan bestå af forskelligt materiale, afhængigt af

hvilken type brændselscelle, der er tale om. Typerne

er beskrevet på hjemmesiden. Her betragter

vi PEM-celler. PEM står for polymer elec -

tro lyte membrane. Ordet membran hentyder blot

til, at der er tale om et (tyndt) lag som kun tillader

passage af visse dele (ioner) mens andre dele

(elektroner og gasser) holdes adskilt.

Elektrodeprocesserne

for en PEM-celle

Som­det­fremgår­af­figur­14b,­sendes­brint­indved

den ene elektrode (den kaldes anoden). Her

vil­brinten­aflevere­en­elektron­pr.­atom­til­elektroden,

og brintkernerne (H + -ionerne, protoner)

vil vandre ud i elektrolytten

2 H → 4 H + 4 e

Anode (2)

Elektronerne løber gennem det ydre elektriske

kredsløb over til den anden elektrode (den kal des

katoden). I cellens anden halvdel sendes iltmolekyler

ind. De kan reagere med brintkernerne under

optagelse af 2 elektroner pr. iltatom. Ved

den ne delreaktion dannes vand

+

O + 4 H + 4 e 2 H O

2

2

+ -

- →

Hvis man lægger de to reaktioner i cellen sammen,

(2) og (3), bliver den samlede reaktion den

velkendte, som kaldes bruttoreaktionen:

2 H + O → 2 H O + energi

2 2 2

Elektronerne, der optages af ilten ved katoden,

leveres fra anoden gennem det ydre elektriske

kredsløb. Den elektriske strøm i kredsløbet bæres

altså af elektroner i det ydre kredsløb og af ioner

i det indre af cellen.

Reaktionen mellem brint og ilt til vand er i sidste

ende blot en udveksling af elektroner. Det smarte

ved brændselscellen er nu, at man “tvinger” brint

og ilt til at udveksle elektroner gennem det ydre

kredsløb, hvor man kan indsætte sit apparat. Så

kan det udnytte, at elektronerne har højere ener-

2

Katode (3)

Brutto (4)

Figur 15

En brændselscelle forsynes

med brint fra en urinpose,

og cellen trækker

en lille motor.

Bogen leverer et passende

gastryk. En almindelig

plasticpose er ikke

tæt nok til at holde på

brinten.

gi, når de frigives af brinten, end når de optages

af ilten. I stedet for at få energien ud som varme,

som ved forbrænding, kan det meste af den tappes

som elektrisk energi.

Kontrolleret forbrænding

Ved normalt tryk og temperatur kan de to gasser,

brint og ilt, udmærket eksistere side om side,

men hvis en blanding af de to i forholdet 2:1

antændes, forløber reaktionen overordentligt

kraftigt - det er ikke for ingenting, at blandingen

kaldes knaldgas. Når reaktionen mellem brint

og ilt forløber frit, frigøres al energien i form

af varme - og det er en proces, der er meget

svær at kontrollere, når den først er sat i gang.

Fidusen ved brændselsceller er også, at de to gasser

holdes adskilt. Derved risikerer man ikke, at

det hele pludselig løber løbsk for én. Men vigtigere

er det nok, at processen i praksis foregår

som to adskilte delprocesser. Derved kan man

tappe energien direkte fra systemet i form af

elektrisk strøm i stedet for at skulle omvejen med

først at lave varme og dernæst omsætte denne til

arbejde i en generator.

Effektiviteten af cellen, nyttevirkningen eller den

totale virknings grad, som den også kaldes, er

defineret­som­forholdet­mellem­den­elektriskeenergi,

man får ud af cellen og den varme, man

15


16

ville få ud, hvis brinten blot var blevet afbrændt.

Virkningsgraden betegnes med η (eta), dvs.

elektrisk energi ud

η =

brændselsenergi i forbrugt brint

Den højst opnåelige virkningsgrad afhænger noget

af temperaturen og lidt af trykket i omgivelserne.

Ved 25 °C og 1 atmosfæres tryk kan 83%

af brændselsenergien i princippet omdannes til

elektricitet. I et traditionelt kraftværk kan det teoretiske

maksimum være 65 %. Her afbrænder

man først brændslet i kedlen, som producerer

damp, der driver en turbine, som trækker en elgenerator

(dynamo). Der er altså større rum for

optimering af brændselscelleteknologien, netop

fordi omdannelsen til elektricitet sker direkte.

Miljømæssige fordele

Den høje teoretiske virkningsgrad for brændsels

celler åbner for et meget langsigtet per spektiv

for en bæredygtig elforsyning uden brug

af fossile brændsler ( kul, olie, gas ), som producerer

drivhusgassen CO 2 . Man vil nemlig

kunne gemme overskudsenergi fra solceller og

vindmøller og andre elanlæg ved at bruge strømmen

til spaltning af vand ved elektrolyse ( fi­gur­

17 ). Det giver brint og ilt, som kan gem mes

uden større tab i stedet for at gemme ener gien

i et traditionelt genopladeligt batteri (akkumulator).

Batterierne kan ikke så godt holde på

ener gien, hvorimod brinten kan gemmes lige så

længe man ønsker og derefter anvendes i en

brændselscelle, når behovet melder sig.

Sær ligt perspektiv er der i udvikling af rever -

si b le celler, dvs. celler, der både kan køre som

brændselsceller og som elektrolyseceller, se

fi­gur­13.­­Når­der­er­overskud­af­elektricitet­isam

fundets energisystem, producerer man brint

Celle V

A

(5)

Figur 17

Et 2V solpanel driver en

elektrolysecelle. Brint og

ilt opsamles i de to cylindre

og brinten gemmes,

til der er behov for elektricitet.

Bemærk, at der

udvikles dobbelt så meget

brint som ilt.

Figur 16

Diagram for undersøgelse

af effektivitet af

en brændselscelle ved

forskellige belastninger.

Først samles strømkredsen

med en bestemt

farve ledninger gennem

hele kredsen, dernæst

indsættes voltmetret

pa rallelt med en anden

farve ledninger (stiplet).

Farveforskellene letter

over blik ket. Man måler

spæn dings for skel, strømstyrke,

tid og brintforbrug.

ved elektrolyse og gemmer brinten. Når der er

under skud af elektricitet vender man processen

i cellen, så den nu forbruger brint og producerer

elek tricitet.

Miljøhensyn har gjort, at man op gennem

1990’ erne begyndte at anvende brændselsceller

både i biler og på kraftværker på forsøgsbasis.

Affaldet ved forbrændingen i en celle til brint

er nemlig rent vand. Vanddamp er ganske vist

også en drivhusgas, men den indgår i naturens

vandkredsløb og “regner ned” igen. På kort

sigt produceres brinten dog fx fra naturgas,

hvor der dannes CO 2 som spildprodukt. Det

må man så gemme. Eller man kan udnytte den

miljøfordel, som den højere virkningsgrad giver

i brændselscelletyper, der kan udnytte kulbrinter,

såsom olie og benzin. Fordelen ved ren

brint i brændselsceller, i forhold til kulbrinter, er

“blot”, at der ikke dannes kuldioxid CO 2 .

For alle brændsler gælder det, at det er klart, at

jo højere virkningsgraden er, des bedre er det

for miljøet, fordi man derved skal bruge mindre

brændsel for at producere en given elektricitetsmængde

eller et givet nyttigt arbej de. Men der

er en anden vigtig miljøfordel ved at udnytte

brændsler i en brændselscelle frem for ved en fri


forbrænding. En fri forbrænding foregår nemlig

ved en så høj temperatur, at der i luften i og uden

om forbrændingskammeret dannes kvælstof-ilter

NO x ved reaktion mellem luftens ilt og kvælstof.

Kvælstofilter­kaldes­også­nitrogenoxider. NO x

er en fællesbetegnelse for N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 ,

N 2 O 4 og N 2 O 5 . Flere af disse er både giftige og

bidrager til drivhuseffekten. Det er fx for at hindre­kvælstofilter­i­ud­stødningen,­at­moderne­bilerhar

påmonteret katalysatorer. I brændselscellen

derimod­er­temperaturen­så­lav,­at­kvælstofilterikke

dannes.

Total virkningsgrad

For at beregne energiindholdet i brinten, skal

vi kende brændværdien H V pr. rumfang brint

og måle det forbrugte brintrumfang V. Brændværdien

kan slås op i en tabel. Den er 12 joule

pr. milliliter (ved 25 °C og 1 atmosfæres tryk)

ved­omdannelse­til­væske­(flydende­vand).­­Hvisder

fx forbruges 5 mL brint, er energiindholdet

60 J (12 J/mL · 5 mL = 60 J ). Alment fås brændselsenergien

E brændsel som produktet af brændværdi

og rumfang

E = H ⋅V

brændsel V

(6)

Produktet af spændingen U (i volt) over cellens

poler og strømstyrken I (i ampere) gennem belastningen

giver den elektriske effekt P (i watt =

joule pr. sekund). Den elektriske energi E elektrisk

(i­joule)­kan­så­findes­ved­at­gange­med­tidsforbruget

t (i sekunder), så vi får

E = P ⋅ t = U ⋅ I ⋅ t

elektrisk

(7)

I­­figur­16­er­vist,­hvordan­man­måler.­Hvis­cellen

fx leverer 0,5 A ved 0,8 V, er effekten 0,4 W

(0,8 V · 0,5 A = 0,4 W = 0,4 J/s).

Brændsel Øvre brændværdi

Brint

Benzin

Naturgas

Sprit (95%)

kJ/g

142,5

46,0

53,8

28,2

Nedre brændværdi

kJ/g

120,1

42,7

48,6

25,3

Temperatur

°C

0

20

25

Tabel 5

Brændværdien pr. rumfang

afhænger af temperaturen,

fordi gasser

udvider sig, når temperaturen

vokser. Her er en

lille oversigt for brint. Værdierne

er ved 1 atmo sfæres

tryk. Brændværdien

afhænger også af, om

man med reg ner den

varme, der fri gi ves, når

vandet fortætter til flydende

væske.

Tabel 6

Brændværdien pr. masse

er uafhængig af temperaturen

og kan bruges til at

sammenligne forskellige

brændsler. Brint har en

meget større brændværdi

pr. masse end alle andre

almindelige brændsler.

Der skal kun ca. en tredjedel

til i forhold til benzin.

Til gengæld må brinten

opbevares i tryktanke for

ikke at fylde for meget,

eller som såkaldte metalhydrider,

der endnu er under

udvikling.

Massefylde

densitet, 20°C

g/L

0,084

720

0,747

810

Øvre brændværdi

omdannelse til flydende vand

J/mL

12,75

11,88

11,68

Nedre brændværdi

omdannelse til vanddamp

J/mL

10,79

10,05

9,88

Hvis den gør det i 60 sekunder, giver det 24 J

(0,4 J/s · 60 s = 24 J ). Dette skal sættes i

for hold til energiindholdet i det rumfang brint,

som brænd selscellen forbruger. I eksemplet kan

vi tæn ke os et brintforbrug på 5 mL som ovenfor

og får så virkningsgraden 24 J/60 J = 40 %.

Brændselscellens totale virkningsgrad η, bliver

dermed ifølge (5)

E U ⋅ I ⋅ t

elektrisk

η = =

E H ⋅V

brændsel V

(8)

Det teoretiske maksimum er 83 %, hvis slutproduktet

er væske og 95 % hvis det er damp.

Hvis forholdet i (8) fx er 0,52 betyder det, at

virkningsgraden er 52%. Hvis virkningsgraden

er meget mindre end maksimum, kan det skyldes

indre modstand i brændselscellen. Det nedsætter

spændingen over cellens poler, som er den, der

leveres til det ydre kredsløb.

For at mindske den indre modstand i større

anlæg søger man at pakke brændselscellestakke

på snedig vis, så strømvejene i cellernes indre

og mellem de enkelte celler bliver så korte som

muligt.

Hvordan gøres elektrolytten tynd, så den indre

modstand nedsættes? Hvordan bringes gaskanaler

og elektroder i god kontakt? Hvilken

overflade­behand­ling­skal­elektroderne­have­forat

katalysere processerne bedst? Hvordan pakkes

lagene, så strømvejen gennem elektroderne

bliver mindst mulig? Hvordan pakkes og hvilke

materialer skal vælges, så varme ledes bort (til

eventuel udnyttelse)?

17


18

Virkningsgrad [ % ]

Det har fx vist sig at have størst virkning at

køle den elektrode, hvor der ikke udvikles vand.

Da Kyndby elværk lavede forsøg med kommercielle

celler (dvs. celler, der handles frit på

markedet) måtte de ikke åbne dem. Vi kender

kun RISØ-Topsøe’s teknik i nogen detalje.

Indre modstand

Figur 19 viser et sæt målinger på en PEM-celle.

Man ser at spændingen ved små belastninger

falder stærkt med øget belastning (øget strømstyrke).­Derefter­flader­spændingskurven­ud,­såpolspændingen,

dvs. spændingen over cellens

poler, falder langsommere ved større belastning.

For praktiske anvendelser må vi have en strøm

af en vis størrelse, og her kan vi beskrive cellens

opførsel ved en lineær model. Vi indlæg ger en

ret linie, der beskriver tenden sen i spændingsfaldet

uden at tage hensyn til det første stejle

stykke af kurven. Vi kan så beskrive cellens opførsel

ved en lineær model for polspændingen

U:

Spænding [ V ]

U = U − R ⋅ I

0 i

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Temperatur [ °C ]

Cellens spænding [ V ]

Cellens effektivitet η [ 1 = 100% ]

Effekt [ W ]

Figur 18

Den maksimale virk ningsgrad

af en brænd selscelle

til brint aftager med voksende

tempera tur (Gibbsvirknings

grad, blå kurve).

Den maksimale virkningsgrad

af et traditionelt

kraft værk vokser med

temperaturen (Carnotvirk

ningsgrad, rød kurve).

De to virkningsgrader uddybes

på hjemmesiden.

Kombineres en brændsels

cel le med en gas turbine,

der udnytter varme

og tryk i udstød ningsgasserne,

kan det i nogle

tilfælde betale sig at køre

cellen ved højere temperatur,

selv om Gibbsvirknings

graden her er

lavere, se figur 23b.

Figur19 a, b

a) tv. Målinger på 1 cm 2

brænd selscelle ved forskellige

belastninger

(IRD, Svendborg). Grafen

for spændingen kan opfattes

som sammensat af

to linie stykker med hver

sin hældning.

b) th. Diagram, der kan

bruges som model for

cellens opførsel ved middelstor

belastning.

0,00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Strømstyrke [ A ]

(9)

0,70

0,56

0,42

0,28

0,14

Effekt [ W ]

hvor I er strømstyrken. U 0 er hvilespændin gen,

dvs. liniens skæring med y-aksen, der hvor

I = 0 A og cellen “hviler”. Sammenlignes med

lig nin gen for en ret linie, y = b + ax, kan R i

fortolkes som den indre modstand i elektrolytten

og­findes­ud­fra­liniens­hældning.­­

Ved­hjælp­af­den­stiplede­linje­i­figur­19a­bestemmer

vi hæld ningen på den sorte linie til

(0,47 V - 0,83 V) / 1,4 A = – 0,26 V/A, dvs.

R i = 0,26 Ω. Den indre modstand i cellen er

cirka 0,3 ohm ved middelstor belastning.

Ved U­=­0­V­finder­vi­cellens­maksimale strømstyrke,

nemlig I max = U 0 / R i . Her ville liniens

tænkte forlængelse til højre skære x-aksen. Vi

får I max = 0,83 V / 0,26 Ω = 3,2 A, som er den

maksimale strømstyrke, denne celle kan levere.

HJÆLPEBRIK

Sammenlign formlen U = U − R ⋅ I

0 i

med formlen y = b + ax. Her svarer y til

polspændingen U, mens x svarer til strømstyrken

I. Konstanten b svarer til skærin

gen U0 med y­aksen og konstanten a

sva rer til hældningen ­Ri .

Skæringen Imax med x-aksen findes ved at

sætte y = 0 og løse for x, dvs.

0 = U − R ⋅ I

R ⋅ I = U

-

I

0 i

i max 0

max

U0

=

R

i

U 0

max



Ri

- R i · I

U +


HJÆLPEBRIK Liniens hældning

Den rette linie har ligningen y = ax + b, hvor konstanten

a kaldes hældningen. Konstanten b bestemmer liniens

skæring med y­aksen, idet y = b for x = 0. Dvs. b kan

aflæses di rek te fra grafen. Det kan man til gengæld ikke

gøre med konstanten a. Derfor gør man følgende:

Man markerer og aflæser koordinaterne til to frit

valgte punkter (x 1 , y 1 ) og (x 2 , y 2 ) på linien, se figur

19c. Hældningen a beregnes som forholdet mellem

ændringen i y­værdi og ændringen i x­værdi

a

y 2

y 1

=

y 2 - y 1

y − y

x − x

2 1

2 1

x

x 1

x 2 - x 1

x

x 2

a > 0

BOREPLATFORM Polarisationsmodstand

Op til ca. 0,03 A er kurven i figur 19a stejlere end ved

større strømstyrker. Indlægges en ret linie som tendens

for det stejle stykke, finder man, at linien svarer til en

indre modstand på ca. 2,4 Ω. Det er 2,1 Ω mere end

de 0,3 Ω ved større belastning. Forskellen på 2,1 Ω

fortolkes som en polarisationsmodstand R p ved elektroderne.

Polarisationsmodstanden tilskrives tab i selve

de elektrokemiske reaktioner i grænsefladerne mellem

elektroder og elektrolyt. Fx tab ved iondannelse –

“polarisation”. Det er i nedbringelse af polarisationsmodstanden,

at de store fabrikationshemmeligheder i

skrivende stund ligger.

Den indre modstand R i består altså af to bidrag R i

= R e + R p . Det faste bidrag R e = 0,3 Ω opfattes

som en modstand inde i elektrolytten og kaldes elektrolytmodstanden.

Denne modstand er nogenlunde

kon stant, mens R p = 2,1 Ω forsvinder ved større be­

Figur19 c, d

c) Linie med positiv

hældning.

d) Linie med negativ

hældning.

Denne formel beviser man i matematik (huske regel: y

skal stå oppe på brøkstregen ‘fordi y­aksen peger opad

i koordinatsystemet’). Hvis hældningen fx er ­ 0,2 V/A,

betyder det, at spændingen (volt) falder med 0,2 V når

strømstyrken (ampere) forøges med 1 A.

Bemærk, at det er lige meget, om det er punkt 1 eller

2, der står forrest i formlen. Prøv med et eksempel! I

princippet er det også lige meget, hvor på linien man

vælger punkterne. Men i praksis gælder, at jo længere

fra hinanden man vælger dem, jo mindre rolle spiller

unøjagtigheden i aflæsningen. Bemærk også, at hvis

man er smart at vælge “pæne” x­værdier, må man ikke

samtidig forvente pæne y­værdier. Hældningen kaldes

også stigningstallet eller hældningskoefficienten.

y 1

y 2

x

x 1

x 2 - x 1

x

x 2

a < 0

lastning. Den konstante modstand R e tilskrives almindelige

ledningstab i elektrolytten. Fx tab ved ionernes

sammenstød med molekylerne i elektrolytten.

Ved større belastning falder polarisationsmodstanden

meget, så det mest er modstanden i elektrolytten, der

har betydning. Man kunne tro, at polarisationsmodstanden

ikke havde så stor praktisk betydning, fordi

den kun er til stede ved små belastninger, som ikke

har praktisk anvendelse. Men desværre. På grund af

det stejle fald i spændingen på det venstre stykke

af kurven, vil hvilespændingen U 0 i modellen (9)

ligge væsentligt lavere end det punkt, hvor den målte

kurve starter på y­aksen. Polarisationsmodstanden

sænker mo dellens skæring med y­aksen. Og det er

alvorligt, fordi modellen beskriver det praktisk anvendelige

område. En lavere spænding her betyder en

lavere virkningsgrad og dermed en dårligere udnyttelse

af brændslet.

19


20

Maksimal effekt

Den elektriske effekt man får ud af cellen afhæn

ger af hvordan man belaster den. Nu mel der

spørgsmålet sig om, hvor cellen giver størst effekt.

Man kan måske gætte, at det må være et

eller andet sted, hvor hverken spændingen eller

strømstyrken er for lille. For der er ingen effekt

i at levere en spænding uden strømstyrke og heller

ikke nogen effekt i at trække en strømstyrke

uden spændingsforskel. Effekten P, som måles

i watt, er spændingsforskellen U, som måles i

volt, gange strømstyrken I, som måles i ampere.

Så effekten må være størst, når dette produkt er

størst. Ved at gange polspændingen U i (9) med

strømstyrken I­finder­vi­effekten­P

2

P = U ⋅ I = U ⋅ I − R ⋅ I

0 i

Effekten afhænger af strømstyrken, som vist på

kurven­figur­20.­­Kurven­kaldes­en­pa ra bel.

Kurven er symmetrisk mellem sine to nul punkter,

og topper i I top = ½ I max , hvor spæn din gen

er U top = ½ U 0 .

Med­tallene­fra­linien­i­figur­19a­får­vi­

I top = ½ ·3,2 A = 1,6 A og

U top = ½ ·0,83 V = 0,415 V ,

som giver den maksimale effekt

P = 0,415 V ·1,6 A = 0,66 W.

Toppunktet for effekten ligger altså lidt længere

til­højre­i­figur­19a.­Bemærk­også­kurven­for­η ,

fx betyder η = 0,5 at virkningsgraden er 50 %.

U 0

U top =

½ U 0

U p

I top = ½ I max

I max

(10)

P

P max

I

Figur 20

Effektivitet og effekt.

Effektiviteten af brændsels

cellen falder ligesom

polspændingen med voksende

belastning (strømstyrke),

se også figur 19a.

Effekten vokser til en

mak simal værdi og aftager

igen (rød kurve).

Kompromis mellem effekt og

virk ningsgrad

Det viser sig, at virkningsgraden er større, jo

større­polspænding­cellen­har,­se­figur­19a.­­Vedmaksimal

effekt så vi, at polspændingen kun var

det halve af hvile spæn dingen.

Det betyder desværre, at virk ningsgraden ved

maksimal effekt højst kan blive halvt så stor som

det teoretiske maksimum på 83%, altså cirka

41,5%. Dvs. at 41,5% af brændværdien kan leveres

som elektricitet ved maksimal effekt mens

resten, 58,5% leveres som varme. Der står cirka,

fordi den lineære sammenhæng (9) er en

tilnærmet model.

Man kan køre med en større virkningsgrad, hvis

man belaster cellen mindre, dvs. trækker en mindre

strømstyrke og dermed opretholder en større

polspænding. Taler vi om elværker vil man også

ønske overkapacitet for at have større forsynings

sikkerhed.

Nogle gange er varmebehovet dog stort, og man

er så glad for “spild”varmen og er måske ikke

så interesseret i høj virkningsgrad for elektricitet.

Fx i husstandsanlæg der kan erstatte olie-

eller gasfyr. Ved anvendelse i biler vil plads- og

vægthensyn gøre, at man under kraftig acceleration

må regne med at skulle operere i nærheden

af maksimal effekt. Her vil der så være en del

spildvarme.


Elektrolyse

I elektrolysecellen spaltes vand, og der dannes

brint under forbrug af elektricitet ifølge den omvendte

reaktion af (4)

H

2 H O + elektricitet → 2 H + O

2 2 2

For elektrolysecellen er der tale om produktion

af brint og forbrug af elektrisk energi, så vi definerer­elektrolysecellens

totale virkningsgrad η

som

2

energiindhold i produceret brint

η = =

elektrisk energi forbrugt

Læg mærke til, at det blot er det omvendte

forhold af virkningsgraden (8) for en brændselscelle.

I elektrolysecellen omsættes jo elektrisk

energi til brændselsenergi, omvendt af

brændselscellen.

-

-

-

+

H

H +

+

-

-

H ⋅V

V

U ⋅ I ⋅ t

O 2

H O

2

(11)

(12)

H 2 O

H 2 O

H 2

H 2

Figur 21a

Elektrolysecelle af PEMtype.

Den omvendte proces

af figur 14. En elek-

trisk spænding på et par

volt lægges over elek troderne,

og vandet spal tes

i brint og ilt. Elektrolysen

hjælpes ved at platinkornene

på elek trodernes

kultæppe virker som katalysatorer

for processen.

H + ­ioner leder strømmen i

elektrolytten.

Figur 22

Eksperimentel påvisning

af Faradays love: Den udviklede

brintmængde er

proportional med tid

(øverst) og strømstyrke

(nederst). Ved elek trolyse

af godt 2 liter vand fås

brint med en brændselsenergi

som 1 liter benzin.

e -

O 2

Katode Anode

OH -

− −

4H O + 4e → 4OH + 2H

2 2

OH -

OH -

O 2

H 2 O

e -

Figur 21b

Klassisk elektrolyse­apparat. Her hjælpes pro cessen

ved tilføjelse af ioner til vandet, fx en opløsning af

NaOH, hvor OH ­ ­ioner leder strøm men i vandet. Gasserne

opsamles i reagensglas. Blandingen er eksplosionsfarlig

(knaldgas). Pas på ikke at bytte om på

ledningerne, mens der produceres gas. Princippet i

en brændselscelle blev opdaget efter elek trolyse og

forklaret af William Grove allerede i 1839.

Volumen [ mL ]

Volumen [ mL ]

e -

− −

4OH → 2H O + O + 4e

2 2

Brint ved elektrolyse, I = 300 mA

Tid [ s ]

Brint ved elektrolyse, t = 120 s

Strømstyrke [ mA ]

+

-

e -

21


22

Lidt historie

Selve ideen i brændselsceller er næsten lige så

gammelkendt som elektriciteten. Allerede i 1839

observerede fysikeren William Grove, at når han

havde elektrolyseret en opløsning af fortyndet

svovlsyre med platinelektroder, kunne han måle

en lille elektrisk strøm, efter at han havde koblet

sin strømkilde fra. Ved den elektrolyse, som

han selv havde sat i gang, udviklede han ilt og

brint ved en spaltning af vand. En ganske lille

mængde af de to gasser sad tilbage på hver sin

elektrode efter forsøgets afslutning, og det, der

forårsagede den elektriske strøm var, at iltmolekylet

spaltedes under dannelse af to iltioner (der

straks reagerede videre med syren i opløsningen

under dannelse af vand) og brintmolekylet spaltedes

under dannelse af to brintioner.

Der gik lang tid, før nogen prøvede at lave reaktionen

under så kontrollerede omstændigheder,

at energien kunne udnyttes i stedet for at lave

et ordentligt knald, som den gør ved antændelse

af knaldgas. Adskillige forsøg strandede på tekniske

problemer, og først da en englænder ved

navn F. T. Bacon forsøgte sig med en celle,

der som elektrolyt anvendte kaliumhydroxid i

vandig opløsning, begyndte der at komme skred

i den teknologiske udvikling. Hans arbejdstemperatur

var 200 grader, og han tilførte sine gasser,

brint og atmosfærisk luft, under et tryk på

45 atmosfære.

Det var dog rumforskningen, der for alvor gav

brændselscellerne deres gennembrud. På rejse i

rummet stilles der et væsentligt krav til rakettens

drivmidler: Brændslet må ikke veje for meget

i forhold til den energimængde, som det yder

- for det koster også energi at transportere det

nødvendige brændsel med sig. Brint har et højt

energiindhold pr. kilogram, se tabel 6. Når man

altså alligevel slæber en masse brint med til

raketten, er det praktisk at bruge lidt af det til

elproduktion i brændselsceller. Så kan man også

drikke affaldet! Faktisk er det ved rumrejser

sådan i dag, at den producerede vandmængde fra

elsystemet indgår i “bagagen” som brugsvand

for astronauterne – dermed sparer man nog le

kilogram i oppakningen! I øvrigt må brændslet

heller ikke forurene verdensrummet mere end

højst nødvendigt. Dette indfries på bedste vis af

brint, der ved forbrænding med ilt som eneste

spildprodukt har vand.

Forskning og teknologisk udvikling

Forskningen i brændselsceller til dækning af

civile behov lå stille nogen tid, men især i

1990’erne blev den taget op igen - denne gang

på grund af det stigende behov for energi og den

voksende bevidsthed om forureningstruslen fra

de mere traditionelle energiteknologier.

For bilers vedkommende kom der gang i udviklingen

omkring starten af det nye årtusind.

Desværre er konstruktionen indtil videre dyr.

Først og fremmest fordi teknologien ikke er

modnet endnu, men også fordi cellestak og

elmotor er to enheder, mens benzinmotoren


Figur 23a

Mange bilfirmaer tilbyder

allerede i dag biler med

brændselsceller, hvor det

er lykkedes at pakke det

hele sammen under motorhjelmen,

så bilen udefra

ikke kan skelnes fra

benzindrevne. Sådanne

biler må betegnes som

“overgangsformer”.

Her ses til afprøvning

en cellestak fra et dansk

udviklingsfirma, IRD Fuel

Cells A/S, Svendborg.

Cellestakken er den sorte

kasse midt i højre side.

Resten er måleudstyr i

bagagerummet på en

Fi at.

er én enhed. Til gengæld kan bilens øvrige

kraftoverførsel forenkles betydeligt med “kørmed­ledning”­princippet­(drive­by­wire,­se­figur­

34c). Elmotorer kan sættes helt ind i de trækkende

hjul, og effekten fra cellerne overføres så

med ledninger frem til hjulene i stedet for med

mekaniske overføringsprincipper som tandhjulsgear

og differentiale. Det giver en besparelse,

som sammen med de sparede brændselsudgifter

trækker den rigtige vej. Princippet er til dels

kendt fra moderne tog, hvor der dog er gearing.

Og måske vil fremtiden også tegne sig lysere

for brændselsceller i biler af andre grunde.

Miljøhensyn bliver mere og mere afgørende, og

allerede­nu­kender­vi­i­Danmark­og­flere­andrelande

til miljøafgifter, der skal regulere forbruget

hen imod mere miljøvenlige energiteknologier.

Så hvem ved?

Figur 23b

Verdens første 220 kW

kraftvarmeværk med

kombineret brændselscelle­gasturbine,Siemens­Westinghouse.

Brændselscellerne befinder

sig i den hvide

tryktank, mens gasturbinen

ligger skult i den

forreste del. I 2003 var

der stadig problemer med

konstruktionen.

Sønderjyllands Højspændingsværk har i samarbejde

med Naturgas Syd haft et 200 kW anlæg

med fosforsyrebrændselsceller (PAFC) kø ren de

på forsøgsbasis i Toftlund. Anlægget pro du cerede

både elektricitet og varme. Virk ningsgraden

startede på 42 % el og faldt efterhånden til 36 %.

Man sendte el ud på det offentlige net og varme

ind i fjernvarmenettet, idet man var kob let på et

kulfyret fjernvarmeanlæg.

Anlægget fungerede også som nødstrømsanlæg

for fjernvarmeanlægget og kunne producere

tilstrækkelig effekt til at trække pumperne i

tilfælde af strømsvigt fra el-nettet. Faktisk er

anvendelse som nødstrømsanlæg en lovende

niche for brændselscelleanlæg. Cellerne og vekselretteren

(konverteren, omsætter fra jævnstrøm

til vekselstrøm) fungerede fantastisk godt på

Toftlund-anlægget, men der blev med tiden

problemer med hjælpegrejet (små plasticpumper,

tærende rør). Tilsvarende har Kyndbyværket

haft opstillet et anlæg, der benyttede sig af celler,

der som elektrolyt havde smeltet carbonat

(MCFC). Anlægget kunne give en total effekt

på 7 kW. Det er ikke meget - men driften gav

værdifulde erfaringer, der på længere sigt kan

omsættes i en storskalaproduktion.

Siden 1989 har man i den danske energiforskning

satset mest på fastoxidbrændselscellen,

SOFC. For det første menes denne brændselscelle

at have det største potentiale til stationær

elproduktion, og for det andet er det den

23


24

brændsels celle type, der på daværende tidspunkt

var mindst udviklet og derfor åbnede størst mulighed

for, at Danmark kunne omsætte forskningen

i produktion på længere sigt. I 2003 vedtog

man også at satse på PEM-celler.

I 1995 opnåede man på RISØ at bygge en

70-celle stak af SOFC-celler, der var konstrueret

på en sådan måde, at cellerne var fordelt i 7

stakke med 10 i hver. De var sammensat på en

måde,­så­man­kunne­koble­én­eller­flere­stakkefra

i til fælde af problemer. Kun de 50 celler

kunne, da det kom til stykket, kobles til en stak.

Til gengæld var maksimumeffekten fra denne

stak 507 watt, hvilket man anså som tilfreds stillende,

idet man opererede med et oprindeligt

mål på 500 watt for hele stakken. Efter testen

Figur 24a

Model af pakketeknik i

ældre RISØ­brændselscellestak

(SOFC­type).

Brint og ilt (luft) tilføres

i lamel agtige strukturer,

der kryd ser hinanden med

elektrolytten imel lem. Luft

kan så tilføres forfra (blå

slange) til alle celler på

én gang, mens brændsel

tilføres fra siden (grøn

slange).

blev de enkelte dele undersøgt meget grundigt.

Det viste sig, at celleforbindelsespladen krummer

under driften. Det giver utætheder, så der

slipper brint ind til katoden og luft ind til anoden.

Det betyder, at brinten brænder i stedet

for at indgå i den katalytiske reaktion ved elektroden.

Der skulle altså forskes en del i forbedring af

denne plades stabilitet, ligesom der lå et arbejde

i at forske yderligere i tætningsteknikken for

resten af cellen. I november 2001 kunne man

starte forsøg med masseproduktion af en ny type

celler­i­et­præpilotanlæg­i­samarbejde­med­firmaet

Haldor Topsøe. Der opskaleres fra produktion

pr. håndkraft. Man bruger sprøjterobotter,

der pålægger elektroder og elektrolyt lagvis.

Ved udgangen af 2002 lykkedes det at nå op

på 400 celler om ugen. Søren Linderoth, Risø,

skønnede i 2002 at de første handelsmæssigt

anvendelige SOFC-anlæg vil være klar omkring

2010. Til den tid kan det føre til mange højteknologiske

arbejdspladser i Danmark, fordi Haldor

Topsøe A/S kan forvente at blive en central

aktør i den europæiske SOFC-produktion.

Fremtid

På langt sigt kan man forestille sig en bære dygtig

elforsyning, uden brug af fossile brændsler,

ved at kombinere brændselscelle anlæg med

vindmøller og solceller. Når det blæser kan møllerne

skaffe strøm, når det er lyst kan solcellerne

levere, – og laves der overskudsstrøm i

perioder, kan den bruges til elektrolyse af vand,

hvorved man kan oparbejde en reserve af brint

til vindstille og mørke perioder.

På lidt kortere sigt kan man forestille sig opvarm

ning af boliger med naturgas ved brændsels

celler. Et 5 kW-anlæg, der kan levere den

nød ven dige mængde varme og elektricitet til en

almindelig husstand, vil fylde ca. det samme

som et almindeligt fyr gør i dag. Den miljømæs

sige gevinst er stor – ikke mindst fordi

brændselsceller som tidligere nævnt ikke producerer

NO x -gasser eller slipper svovl ud i

nævneværdigt omfang.


+3 V

+2 V

+1 V

0 V

Luft

Elektrisk

strøm

Elektrisk

strøm

BOREPLATFORM Lagring af brint

Luftelektrode

(porøs katode)

Elektrolyt

(gastæt)

Brændselselektrode

(porøs anode)

Celleforbindelse

(elektronleder,

ion-isolator, gastæt)

Brændsel

På langt sigt må man forestille sig, at man har udvik let

højeffektive solceller og brænd sels celler til brint. Elektrici

tets overskud bruges til brintproduktion, som blandt

andet­anvendes­i­transportsektoren.­De­fleste­miljøproblemer

ved ener gi produktion og -forbrug er derved løst.

Men et problem er tilbage: Brinten skal opbevares på en

form, der ikke giver eksplosionsfare. Det kan gøres ved at

gemme den inden i metaller! Visse metaller, fx palladium,

har nemlig den egenskab, at de kan optage utrolig meget

brint. Så meget, at der kan være op til et brintatom pr.

metalatom. Og det betyder at brinten fra at være en gas

ved atmosfæretryk bliver “stuvet sammen”, som om den

selv var frosset, så den kun fylder en tusindedel af, hvad

den fylder i gasform. Der dannes et metalhydrid. Der

forskes­allerede­i­dette.­Man­er­nødt­til­at­finde­et­andet­

Figur 24b

Detalje, der viser pakningen

af lagene i 3 celler i

serieforbindelse. Cellerne

produceres i dag i ca. 12

cm x 12 cm og man eksperimenterer

med andre

udforminger af koblingen

mellem cellerne. De kommercielle

celler (MCFC),

som blev afprøvet på

Kyndbyværket, måtte

man ikke få lov at se indven

dig. En stor del af fabrikationshemmelighederne

knytter sig til elektrodernes

katalytiske overflader.

Hvor de næste skridt tages er svært at sige, bilindustrien

eller kraftværkssektoren. Mange bilfabrikker

har prototyper klar, men der er også

kraft anlæg til salg. Begge dele er dog indtil videre

alt for dyre. Følg med på nettet. I første

omgang vil udviklingen måske drives frem

af niche markeder såsom bærbar elektronik og

de omtalte nødstrøms anlæg. Og anlæg i havnelig

gende skibe, hvor elproduktionen kan ske

lydløst i stedet for i ge neratorer drevet af de

noget larmende skibsmotorer.

På kort sigt vil jeg foreslå, at man i Danmark

laver forsøg med reversible elektrolyse/brændselscelleanlæg,

der kan fungere som stødpudeanlæg

for den vekslende elproduktion fra vores

vindmøller; strøm som vi nogen gange må sælge

alt for billigt til udlandet. På endnu kortere sigt

kunne man forsøge sig med reversible anlæg,

der føder gas ind i naturgasnettet, når der er

eloverskud og gasdrevet elektricitet ind i elnettet,

når der er elunderskud. Transportsektoren

kan eventuelt kobles på med brintgasbusser,

sådan som man er i færd med i Malmø i Sverige

og Reykjavik på Island.

materiale end palladium, da det er lige så dyrt som guld.

Yttrium kan bruges, men det er næppe heller billigt. I 2001

begyndte et større forskningsprojekt støttet af Videnskabsministeriets

program “Større Tværgående Forskergrupper”.

Man har målt på magnesium og aluminium (som ikke er

dyre) og vil også teste nye materialer, som aldrig før er

blevet sat i forbindelse med brintlagring. Deltagerne er

Risø, Aarhus Universiet, DTU, Haldor Topsøe A/S, IRD

Fuel Cells og Danfoss A/S. I 2003 godkendte det amerikanske

transportministerium en tank fra ChevronTexaco

baseret på titanpulver. Tanken koster ca. 55.000 kroner pr.

kg lagerkapacitet. En brintbil kører ca. 100 kilometer pr.

kg brint. Bilindustrien mener at rækkevidden skal være

minimum 500 km for en anvendelig bil. Også her er der

brug for mere forskning.

25


26

Opgaver

201

En brændselscelle kobles til en ydre belastning (motor eller

lignende).

a. Hvilke ladede partikler bærer strømmen gennem det ydre

kredsløb?

b. Gennem elektrolyttens indre?

BRÆNDSELSCELLER

202

En brændselscelle leverede 208 mA ved 0,695 V i 180 s under

et forbrug på 5,7 mL brint.

a. Beregn effekten.

b. Beregn virkningsgraden.

203

Gør rede for, at delreaktionerne ved de to elektroder i det klassiske­elektrolyseapparat­figur­21b­som­bruttoreaktion­giverspaltning

af vand i brint og ilt.

204

Ved elektrolyse i 120 s ved 1,8 V og 500 mA udvikledes 4,5

mL brint.

Beregn virkningsgraden.

205

Brændselscellen­i­figur­15­blev­prøvet­ved­to­forskellige­belastninger.

Ved en belastning på 0,5 ohm leverede den 0,59 V

og 707 mA i 52,72 sekunder under et forbrug på 5,0 mL brint.

Figur 25a

En ubåd, klasse 214 med

PEM­celler fra Siemens.

Cellerne befinder sig i ‘skabene’

midt i båden (grå).

Ved en belastning på 2,0 ohm leverede den 0,68 V og 300 mA

i 76,39 sekunder under et forbrug på 3,0 mL.

a. Beregn effekten og virkningsgraden ved de to belastninger.

b. Ved hvilken af de to belastninger udnyttes brændselsenergien

bedst?

206

Samme målinger som i opgave 205. Som model for cellens

opførsel vil vi nu benytte en ret linie (9).

a. Indtegn de to målesæt for strøm og spænding i et (I, U) -

koordinatsystem på mm-papir.

b. Tegn den rette linie gennem de to målepunkter.

c. Hvor stor er hvilespændingen?

d. Find liniens hældning. Hvor stor er den indre modstand?

(Husk at omregne mA til A).

e. Hvor stor en strømstyrke vil cellen kunne levere, hvis den

ellers kan tåle det?

207

Lidt svær! Samme celle som i opgave 205. Du skal bruge

svarene fra opgave 205 og 206.

a. Hvor stor bliver den største effekt, cellen vil kunne levere?

Antag, at virkningsgraden er proportional med polspændingen.

b. Hvor stor bliver virkningsgraden ved maksimal effekt?


Arbejdsspørgsmål

208

Brændselscellerne er en variant af et almindeligt batteri.

Hvad er ulempen ved et almindeligt (ikke-genopladeligt) batteri

i forhold til en reversibel elektrolyse/brændselscelle?

209

Der­findes­også­genopladelige­batterier.­Hvad­er­ulempen­vedet

genopladeligt batteri i forhold til en reversibel elektrolyse/

brændselscelle?

210

Hvad står PEM for?

211

Lav din egen tegning af en brændselscelle med elektroder,

elektrolyt­m.m.­som­figur­14.

212

Hvad er knaldgas? Hvordan undgår vi den? Hvilken fejl

kunne­man­begå,­så­man­utilsigtet­fik­dannet­knaldgas?

213

I­figur­18­fremgår­det,­at­virkningsgraden­for­en­brændselscelle

til brint falder med temperaturen. Alligevel kan det være

en ide at arbejde ved høj temperatur, og lade udstødningen

(der­så­bliver­vanddamp)­drive­en­dampturbine,­se­figur­23b.­

Hvorfor kan den høje temperatur være en god ide?

Figur 25b

Et PEM­”batteri” med 9 moduler,

som kan anven des i ubåde og skibe.

Modulerne er 2 m x 2 m. De leve rer

strøm fra en lydløs reaktion mel lem

brint og ilt.

214

En husstand bruger ca. 5 kW til el og varme. Hvor mange

husstande­kan­anlægget­i­figur­23b­forsyne?

215

Hvad er fordelen ved brændselscellen i forhold til rumrejser?

216

I en brændselscelledrevet bil er der to enheder, der tilsammen

svarer til benzinmotoren.

Hvilke­enheder­er­det?­Udpeg­disse­enheder­på­figur­3,­13og

34c.

217

Kraftoverførslen kan foregå direkte til hjulakslen fra elmotoren.

Hvad gør man ved benzinmotorer?

218

Hvad er fordele og ulemper ved brændselscelleteknologien

i forhold til benzinteknologien, som vi kender fra bilerne i

dag?

219

Metaller kan bruges i forbindelse med lagring af brint. Hvilke

fordele og ulemper har metoden?

27


28

Kapitel 3

Samfundsudvikling i perspektiv

I årtusinder har mennesket opfundet maskiner,

står der i kapitel 1. Det gør vi stadig. Det nye er,

at den menneskelige aktivitet i dag er så kraftig,

at den ser ud til at påvirke kloden som helhed.

I et hundredårigt perspektiv ser det derfor ud

til, at vi må finde nye måder at indrette vores

aktivi tet på, hvis påvirkningerne ikke skal vokse

ud af kontrol.

Brintsamfundet er en mulighed. Det bygger sin

energiforsyning på brint og elektrici tet. Brinten

er energibærer sammen med elektri citeten. Elektriciteten

fås fra rene energikilder – måske med

solceller som største bidrag på langt sigt. Elektriciteten

bruges også til at producere brint til

anvendelse i biler.

PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET?

Figur 26a

Solens energiudsendelse

stammer fra frigivet ener-

gi når brint omdannes til

helium ved fusion. Der er

rigeligt til os i astronomisk

tid fremover – milliarder

af år – hvis vi kan lære at

“høste” energien.

Her går Solen ned over

Skal lingen set fra Rindby

Strand, Fanø.

Hundrede år lyder af lang tid, men der har

faktisk været “tusindårsriger” på Jorden, dvs.

samfund med kulturel sammenhæng gennem

mange hundrede år. Det gælder fx i Ægypten fra

cirka 2800 f.Kr. til 1600 f.Kr. Af andre langvarige

kulturer kan nævnes den babylonske (seks

tusind år siden), den græske (to et halvt tusind

år siden) og romerriget (to tusind år siden).

Vores nuværende samfund ser ikke særlig stabile

ud. Der er hurtige forandringer og kulturelle

brydninger. Konflikter mellem folkeslag har en

tendens til at udvikle sig lettere til krige end til

gensidige aftaler. Og der er tegn på begyndende

kamp om resurser som energi og vand. Men det

er måske ikke noget nyt, og brintsamfundet er


ikke nogen patentløsning, der fjerner sådanne

kon flik ter.

Men brintsamfundet letter presset på fos sile

e nergikilder. Også af den grund er brintsamfun

det et godt bud, hvis vi gør os håb om en

sam funds mæssig udvikling med hundredårige

per spek tiver. Samtidig forurener det mindre og

på vir ker klimaet mindre, fordi der ikke udledes

driv hus gasser.

Menneskehed og Jordklode

I løbet af 1990’erne begyndte man på interna tionalt

plan at bekymre sig om den mulige op varmning

af atmosfæren. Opvarmningen forven tes

som følge af drivhusvirkningen i atmosfæren

fra et voksende indhold af kuldioxid, CO 2 , der

skyldes afbrænding af fossile brændsler. Opvarmning

af atmosfæren kan føre til uønskede

klimaændringer. Hvis fx indlandsisen smelter

og vandstanden i verdenshavene dermed stiger,

oversvømmes mange byer og samfund i lavlands

områder nær havet. Man taler om et par

graders temperaturstigning over en hundredårig

periode. Det lyder ikke af så meget, så ikke alle

er lige bekymrede. Man arbejder på at forfine

de modeller, der beskriver hvordan kuldioxiden

(CO 2 ) indgår i kredsløb i atmosfæren, planterne

og havet, se figur 32. Og der er en anden vigtig

mekanisme, som påvirker klimaet, nemlig Solens

aktivitet, dvs. antallet og størrelsen af solpletter.

En større aktivitet på Solen giver færre

skyer, som betyder en opvarmning af jorden.

Figur 26c

Tankstation for brint og

naturgas i Malmø, Industrigatan/Nobelvägen.

En

overgangsløsning, hvor

gammel og ny tek nologi

lever side om side. Det

letter vejen til brintsamfundet.

Her kan man

tan ke ren brint (vätgas),

eller ren naturgas eller

blan dinger.

Figur 26b

Brintsamfundet kræver

ny teknologi for at kunne

vir keliggøres. Flyet til

venstre er under ombygning

af studerende og

forskere på Worcester

Polytech nics Institute.

Man venter, at det letter i

2004 og bli - ver verdens

første brint drevne fly med

brændsels celler.

Men der er ingen tvivl om, at den menneskelige

aktivitet i form af energiomsætning og CO 2 ­

udledning har nået et niveau, hvor den ikke

længere “drukner” i naturens tilfældigheder. Fra

industrialiseringens start er indholdet af CO 2 i

atmosfæren vokset med næsten en tredjedel over

et par hundrede år på grund af afbrænding af kul

og andre fossile brændsler.

Der har været perioder i Jordens historie, før det

industrialiserede menneske, hvor der har været

store udsving i CO 2 ­indholdet. Det ved man

fra iskerneboringer ned i indlandsisens hun dredtusindårige

snelag både i Grønland og på Antarktis,

se figur 31. Der er altså store ændrin ger,

som påvirker klimaet uden menneskets indflydelse,

og som vi ikke i øjeblikket kan gøre os

håb om at styre. Men vores egen påvirk ning

af omgivelserne i dag er nu på niveau med de

variationer Jordens geologiske processer giver

anledning til. Man kan drage to forskellige konklusioner

af denne sammenligning.

1) Vores påvirkning af klimaet er ikke stør re

end de naturlige variationer, så der er ingen

grund til bekymring. – Eller

2) Vores påvirkning af klimaet har nået et

niveau, hvor påvirkningerne kan sammenlignes

med globale geologiske mekanismer,

så der er grund til forsigtighed.

Når vi nu ved, at det er teoretisk muligt at lave

et rent energisystem, så synes jeg, at det er uansvarligt

ikke at forsøge at gøre det. Samtidig er

det en spændende udfordring at udvikle teknologierne

til at virke i praksis på en måde, der også

er økonomisk realistisk for samfundet.

29


30

BOREPLATFORM Reserver eller resurser?

Oliereserverne er den mængde olie, vi kender placeringen

af, og som kan hentes op. Dvs. i oliefelter, hvor man har

boret og nogenlunde kender omfanget af feltet. De udnyttelige

olieresurser er større og bygger på bredere geolo giske

undersøgelser. Den klokkeformede kurve i figur 30b er

ka rakteristisk for såkaldt logistisk vækst og blev indført af

M. King Hubbert i 1959, hvor han forudsagde, at USA’s

produktion ville toppe i 1970. Det gjorde den nu ikke, men

i begyndelsen af 1970’erne kom energikrisen, hvor mange

olieproducerende lande hævede olieprisen voldsomt. Fra

1973 til 1974 femdobledes prisen. Siden er olieproduktionen

vokset langsommere, se figur 31a. Om kurvens krum ning

er ved at vende, og hvornår toppen nås, er endnu usik kert. I

dag forudsiger man, at Dan marks olieproduktion vil toppe

omkring 2010.

BOREPLATFORM Fossile energikilder

Fossile energikilder er kul, olie og naturgas, som man henter

nede i jorden fra omdannede døde organismer. Et “fossil” er

også en forstening af et dyr eller en plante, men ordet bruges

altså her i en lidt bredere betydning. De fossile ener gikilder

indeholder alle kulstof og er aflejret gennem mil li oner af år.

Vi brænder dem af i løbet af nogle hundrede år for øjeblikket.

Det giver en voldsom stigning i udled ning af kuldioxid til

atmosfæren og påvirker sandsynligvis klimaet.

BOREPLATFORM Solpletaktivitet og klima

Det er ikke kun drivhuseffekten, der påvirker temperaturen

på jorden. Det gør også aktiviteten af solpletter. Solpletter

er områder på Solens overflade med særligt stærke magnetfelter.

De stærke magnetfelter rækker langt uden for Solen

og skærmer for kosmisk stråling, som ellers hjælper med

skydannelsen i Jordens atmosfære. Det betyder, at det bliver

varmere, når Solen er mere aktiv, fordi der er færre skyer

til at reflektere sollyset ud i verdensrummet, inden det når

Jordens overflade.

Når de ladede partikler i den kosmiske stråling når Jordens

atmosfære, vil de støde sammen med luftmolekylerne, så

disse ioniseres. Skyer består af små vanddråber, og vand dam ­

pen i luften har lettere ved at finde sammen til små vanddråber

i de områder, hvor luften er ioniseret af den kos miske

strå ling. Solpletaktiviteten varierer over århun dreder, men

også med jævne mellemrum i perioder på cirka 11 år. Denne

variation passer med variationen i Jordens skydække. Vi har

ingen indflydelse på solpletaktiviteten.

Figur 27

I brintsamfundet bruges brint

som energibærer. Der er elektrolysestationer

ved kraftværkerne.

Bilen kobles til det fælles net,

når den er parkeret ved arbejdet

eller huset. Hustagene er dækket

med solceller, og en lagertank til

brint erstatter olietanken til fyret.

Bilen fungerer som elektrolyseanlæg

eller brændsels celleanlæg

efter behov. Der kan være forbindelse

til naturgasnettet.


W

10 13

10 12

10 11

10 10

10 9

10 8

Ild

Vedvarende energi Mest oplagret energi

Agerbrug

Vindmøller

Vandmøller

Energikrise

1 mio. 100.000 10.000 1.000 100 10 1

Antal år før 1982

0

1000 750 500

År før nu

250 0

Petajoule (10 15 joule)

150

100

50

0

Elproduktion i Danmark fordelt på kilder

1994 2002

5

4

3

2

1

Effektforbrug i TW

Anden VE

Vindkraft

Naturgas

Olie

Kul

Figur 28

Menneskehedens energiforbrug

er vokset eksplosivt

gennem tiderne.

– Øverst ses udviklingen

med logaritmisk skala

(10-dob ling på akserne).

– I midten ses udviklingen

med almindelige enheder

på akserne.

– Nederst ses elpro duktionen

i Danmark fordelt

på kilder.

Forbrug pr. indbygger i GJ

Ton CO 2

$ pr. GJ forbrug

250

200

150

100

50

300

200

100

0

25

20

15

10

Energiforbrug i forskellige lande i 2001

Danmark Sverige EU USA Japan

Vedvarende energi

CO 2 -udslip pr. indbygger i 2001

0

Danmark Sverige EU USA Japan

0

5

Værdiproduktion i 2001

Øvrig energi

Danmark Sverige EU USA Japan

Figur 29

Energiforbrug, CO 2 -udslip

og værdiproduktion i for -

skellige lande. Sve rige

har mindre CO 2 -ud slip

end Danmark, fordi de

har mere vandkraft og

ker nekraft. Man ser, at

Danmark og Japan er

gode til at udnytte energien.

Vi producerer mere

værdi pr. joule end mange

andre.

31


32

Texas olie, millioner tønder/år Verdens olie, milliarder ton/år

4

3

2

1

0

1920 1940 1960 1980 2000 2020

1600

1200

800

400

0

1920 1940 1960 1980 2000 2020

Figur 31a

Indholdet af CO 2 i atmosfæren

i dag (prikken

øverst til højre) er højere

end nogensinde de sidste

450.000 år. Stigningen

startede for nogle få

hundrede år siden ved

indu strialismens start.

Varia tionerne før i tiden

hænger sammen med

tilba ge vendende istider.

Indhol det er angivet i

million tedele luft rumfang,

parts per million volume.

Indholdet er fundet ved at

undersøge iskerneboringer

fra Antarktis. Her ligger

sneen over Vostok-

søen med inde spær ret

luft – lag på lag for

450.000 år.

CO 2 i atmosfæren, ppmV

400

300

200

100

0

Figur 30a, tv.

Produktionen af olie vokser

ikke længere så kraftigt,

som den har gjort.

Det er tegn på, at re ser-

verne er sværere at fremskaffe.

Kurvens form påvir

kes også af politiske

be slut ninger, fx om at

begrænse brugen af olie

til afbrænding i kraft vær -

ker eller af stabiliteten

og prispolitikken i de

oliepro du ce rende lande.

Antager man at kurven

gennem snitligt følger en

klokkeform som i figur

30b, kan man forudsige

nogenlunde, hvor meget

olie, der i alt vil blive hentet

op af jorden.

Figur 30b, tv.

Olieproduktionen i texas

fra 1932 til 2002. Man

fornemmer at Texas er

ved at have opbrugt sin

olie. Kurven er en model,

der kaldes logistisk. Den

kan bruges til at forudsige

toppunkt og samlet

produktion.

500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0

År før nu

CO 2 i atmosfæren ppmV

CO 2 i 2002 i ppmV

380

360

340

320

300

1960 1970 1980 1990 2000 2010

376

374

372

370

368

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

Figur 31b, øverst th.

Målinger 1960-2002 af

CO 2 i atmo sfæren ved

Hawaii – langt fra industriområder.

Figur 31c, ovenover

Den årlige variation i atmosfærens

CO 2 -indhold i

2002 skyldes planternes

vækst, der binder mest

CO 2 hen gennem sommeren.


Figur 32

Kredsløb for kulstof.

Mængder angivet i milliarder

ton, Gigaton, i forskellige

dele af Jorden.

Udvekslinger er angivet

pr. år. Alger og planter

bruger CO 2 til at opbygge

sukkerstoffer ved hjælp

af sollys. Det bliver til

mad for dyrene. CO 2

frigives igen fra dyrene,

når maden omsættes. De

10.000 Gt kulstof i undergrunden

stammer fra

døde organismer, der

synker ned i havet gennem

hundrede millioner af

år og omdannes i havbunden.

I øjeblikket bruger vi

af dette lager hundrede

tusinde gange så hurtigt,

som det fyldes op.

Tabel 7

Forskellige energienheder

bruges i energistatistikker.

ENHED

1 J - joule

1 kWh - kilowatttime

1 toe - ton olieækvivalent

1 cal - kalorie

Internationalt

Nationalt

Regionalt

Lokalt

Oversat til Joule

1 J

3.600.000 J = 3,6 MJ

44.800.000.000 J = 44,8 GJ

4,1855 J

Afbrænding

til energi,

6 Gt

Skovrydning,

1-2 Gt

Kul, olie og gas

10.000 Gt

Udslip fra

dyr og

planter

100 Gt

Eksempel

98 Gt

1 m løft med 1newton

1000 W projektør tændt

i 1 time

1 ton olie brændes af

(øvre bændværdi)

1 gram vand opvarmes

1 grad Celsius

Kyoto, EU-støttede projekter og forskning

Energipolitik, afgifter, tilskud. Forskningspolitik

Vindmølleparker, elektrolyseanlæg

Brinttankstationer, husstandsanlæg, solcelletage

CO 2 i atmosfæren

740 Gt

Oceaner 46.000 Gt

Aflejring af

kul og kalk fra

døde organismer

PRÆFIKS

k

M

G

T

P

E

Optag i alger

100 Gt og planter 100 Gt

+ opløsning i havet

Navn

kilo

Mega

Giga

Tera

Peta

Exa

Tabel 9

En indsats på mange fronter,

se side 35. Der kan anlægges

forskellige perspektiver på

økonomien. Fx privatøkonomi,

virksom hedsøkonomi,

nationaløko nomi - og på

længere sigt globaløkonomi?

Jorden

2.000 Gt

Tabel 8

10-potenser anvendt i

energistatistikker.

Værdi

10 3

10 6

10 9

10 12

10 15

10 18

33


34

Energi, klima, penge

og politik – Kyoto-aftalen

I 1997 holdt alverdens lande et stort klimamøde

i Kyoto i Japan. Man opfandt nogle mekanismer,

der skal hjælpe en udvikling på vej, så vores udledning

af kuldioxid til atmosfæren efterhånden

bringes ned. Man lavede også en fælles aftale,

Kyotoaftalen, der benytter sig af disse mekanismer.

Hvis 55 % af verdens lande, som står for

mindst 55 % af verdens CO 2 ­udledning godkender

denne aftale i deres parlament, bliver aftalen

til et internationalt regelsæt. Landene i EU har

godkendt aftalerne, mens USA har sagt nej.

Ruslands parlament skrev under i oktober 2004,

så aftalen kan træde i kraft.

Hovedpunkterne i aftalen er nog le mål og tidsrammer

for, hvornår målene skal være nået.

Samt regler for handel med ud led nings tilladelser

mellem landene. Målene er opstillet som kvoter,

dvs. mængder af CO 2 , som de enkelte lande har

lov til at udlede. Kvoterne måles i ton CO 2 .

Efter hånden som mekanismerne går i gang, vil

der danne sig en pris pr. ton CO 2 . I juli 2004

fik Danmark godkendt sin plan af EU­kommissionen.

Hvis et land, som fx Rusland, ikke kan udnytte

de tildelte kvoter, kan det sælge sin kvote til

an dre lande. Et land kan også vælge at investere

i CO 2 ­besparende teknologier i andre lande. Fx

kan Danmark støtte eller drive vindmølleparker

i Polen eller investere i forbedring af kulfyrede

kraft værker dér. Og man kan øge beplantningen

med skov, idet træerne optager store mængder

kul di oxid fra luften. Men det virker kun én gang.

Figur 33

Fremtidens energisystem i miniformat.

Fra venstre ses solpanel, elektrolysecelle,

lagertanke, brændsels celle, motor.

Man kan måle virkningsgraderne

af de enkelte dele i systemet. Dermed

kan man regne ud om det kan betale

sig fx at gemme elektrisk energi fra

vindmøller i form af brint i et lager.

Læg mærke til at elektrolysecellen

og brændselscellen ser ens ud. Faktisk

kunne man nøjes med én celle,

der kan bruges som elektrolysecelle,

når man ønsker at lave brint og som

brændselscelle, når man ønsker at

lave strøm. Sådan en celle kaldes

en reversibel celle. Sammenlign med

bilen i figur 13.

Hovedformålet er at fremme udviklingen af

CO 2 ­besparende teknologier i almindelighed i

alle lande. Og her kan USAs beslutning om at

sige nej til aftalen vise sig at give bagslag for

landet. For europæiske virksomheder vil måske

komme foran i udviklingen af de nødvendige

tek no logier. Der er dog også støtte til udvikling

af brintteknologi i USA, idet man er nervøs

for forsyningssikkerheden – altså om man kan

skaffe brændstof nok.


Samfundsøkonomi

kontra privatøkonomi

Økonomi kommer af det græske ord oikono’ mia,

som betyder husbestyrelse eller ledelse. Økono

mi handler om at få mest mulig nytte af sine

aktiviteter. Her kan der være konflikt mellem dig

(individet) og de andre (samfundet/dine efterkommere).

Hvis du ejer en stor skov, kan du tjene penge på

at fælde træer og sælge træet, mens det koster

tid og penge at plante nye. Hvis din skov er stor

nok, har du måske træer nok til at leve hele livet

uden at plante nye. Du har “vundet”, men dine

omgivelser, samfundet og dine efterkommere,

har tabt. Efter dig er der uopdyrket land, som

ikke har så stor værdi som den oprindelige skov.

Hvis du tilhører en generation, der har olie nok,

kan du skaffe billig energi ved at brænde den af

uden at bruge penge på at opfinde andre metoder.

– Find selv på en historie, der viser forskellige

interesser vedrørende forurening.

Figur 34a

Dette er en rent brintdrevet

bil og derfor et bud

på den fjernere fremtid. I

en overgangsperiode må

man forvente biler med

brændselsceller til både

benzin, naturgas og brint.

Der findes nemlig allerede

et udbygget net af benzinstationer

men ikke af

brinttankstationer. Det kan

dog komme til at gå hurtigere,

end man forventer.

I Norge vil man senest i

2008 kunne køre de 500

km fra Stavanger til Oslo

i en brintbil på Hydrogenvejen.

Bilen til venstre er en

General Motors Hy-wire

prototype. Debuterede

på Paris Motor Show i

sep tem ber 2002. Bilfa brikkerne

kon kurrerer om at

udvikle miljøvenlige biler

med brændselsceller.

Indtil videre er det nok

mest i reklameøjemed, for

at vise, at de er “med på

vognen”. Men heldigvis

bidrager de dermed til at

effektivisere teknologien.

Figur 34b

Et kig inde fra bilen

på Tech Tour i Ottawa,

Canada 2003. Motor og

brændselsceller er pakket

ned under gulvet.

For at motivere os til at handle på måder, der

er økonomiske for samfundet, indfører man afgifter

og benytter tilskud. I 70’erne var der ikke

man ge, der troede på, at vindmøller ville kunne

bi drage væsentligt til den danske elforsyning.

Men nogle få idealister byggede dengang alligevel

møller for deres egne penge. Senere blev

det et politisk spørgsmål, og folketinget vedtog

at støtte opførelsen af møller med tilskud. Og i

dag er det blevet en forretning, der i 2003 gav en

omsætning på 20 milliarder kroner. Danmark er

førende på verdensmarkedet.

Undervejs har man indført energiafgifter. Man

har fx lagt afgift på strøm fra kulkraftværker men

ikke på strøm fra vindmøller. Dermed ønsker

man at regulere den økonomiske balance mellem

de to teknologier. I starten kunne vindmøllerne

slet ikke konkurrere med billig kul. Men på længere

sigt forventer man, at vindmøller er økonomiske,

fordi der ikke er så meget “opryd ning”,

som samfundet skal betale efter dem, som efter

kulaf brænding, der giver anledning til CO 2 ­udledning.

Det samme kan siges om solceller på

noget længere sigt.

Indsats på mange fronter

Energisystemet bruges lokalt, men har virkninger

globalt. Derfor findes der ingen simpel vej, hvis

man ønsker at styre det i en bestemt retning, fx

mod et brintsamfund. Man kan pege på indsatser

på mange fronter: Internationalt, nationalt, regionalt

og lokalt, se tabel 9 på side 33.

Internationalt kan man lave fælles globale aftaler

og rige egne kan gå foran i udviklingen. Fx

35


36

Universelt forbindelsesled.

Forbinder skateboardet med “kør

med ledning” systemerne i kabinen

Stødzone i bagende.

Optager energi ved

sammenstød

“Kør-med-ledning” systemkontrol.

Køretøjets hjerne og nervesystem

Figur 34c

Hjertet i Hy-wire er et

skateboard-chassis, som

indeholder “alt”, brændsels

cellestak, tanke, motorer

og systemkontrol.

Ovenpå sættes et karrosseri

efter brugerens

ønske.

Figur 34d

Skateboardet pakket ind.

Kabinefastgørelse

Varmesystem.

Luftbehandlingssystem

Brinttanke

Køleribber.

Afgiver varme som dannes

i brændselscellerne, elektronikken

og hjulmotorerne

Brændselscellestak.

Omdanner brintbrænd -

sel til elektricitet

Stødzone i forende.

Optager energi ved

sammenstød

Hjulmotorer.

Elmotorer i hjulene leverer

firehjulstræk, indbyggede

bremser standser køretøjet

arbejdes der på at gennemføre Kyoto­aftalen

om nedbringelse af CO 2 ­udledning. Aftalen vil

føre til, at der sættes kroner og ører på udledning

af CO 2 , og det vil ændre den økomomiske

ba lance til fordel for teknologier, der mindsker

CO 2 ­udledningen. Og EU støtter projekter, hvor

forskellige virksomheder og forskergrupper

arbejder sammen om udvikling af nye energisystemer.

Nationalt kan man påvirke udviklingen ved

hjælp af afgifter, der fordyrer uønskede tekno

logier, og tilskud, der støtter teknologier,

man ønsker indført. I Danmark har man på

denne måde støttet udviklingen af vindmølleteknologien.

Og man har støttet lokale kraftvarmeværker

ved at give strømmen herfra

fortrinsret i forhold til strømmen fra kulværker.

På de lokale kraftvarmeværker udnyttes spildvarmen

fra elproduktionen til fjernvarme, og

værkerne kan fx fyres med halm. Når man

fyrer med halm betragtes det som CO 2 ­neutralt,

fordi den mængde CO 2 , der udvikles ved forbrændingen,

er den samme som den, der i sin


tid blev optaget af halmen fra luften, da kornet

groede, se figur 32. Man kan støtte forskningen

på universiteter og lignende. Fx Aarhus Universitet,

der arbejder med metalhydrider til sikker

opbevaring af brint, og Risø, der arbejder med

keramiske brændselsceller, og endnu mange

andre som fortjener forskningspolitisk støtte.

En bedre forståelse giver grundlag for en bedre

tek nologi.

Regionalt kan man kombinere fx vindmølleparker

med brintteknologi, som man har planer

om at gøre det i Ringkøbing Amt. Og man kan

afprøve nye teknologier i større skala, som fx

“Sol-1000”, hvor tusind husstande får installeret

solcellepaneler på tagene med 40 % støtte fra

Energistyrelsen gennem regionale forhandlere.

Lokalt kan den enkelte husstand opstille anlæg

med brændselsceller til el­ og varmeforsyning

næste gang fyret i kælderen trænger til at udskiftes,

og kommunen kan bygge brinttankstationer,

som i første omgang kan bruges til gas ­

drevne bybusser og gasdrevne biler.

Tidshorisont

Her kan dit gæt være lige så godt som mit. Men

jeg tror udviklingen vil tage fart omkring 2010.

Den første Kyoto­periode går fra 2008­2012.

Her skal industrilandene samlet nedbringe

CO 2 ­udledningen med 6 procent i forhold til

udledningen i 1990, som er basisår for Kyotoaftalen.

Inden for EU er man enedes om samlet

8 %. Danmark og Tyskland menes at have lettere

ved at nedbringe udslippene, fordi de har et

relativt stort kulforbrug. Disse to lande skal yde

en nedsættelse på 21 %. For Danmark svarer det

til en udledning på 15­25 millioner ton mindre i

2012 end i 1990. Det præcise tal er ikke opgjort

endnu.

Processen starter med kvoter til kraftværkerne

og de største virksomheder allerede for perioden

2005 ­ 2008, hvor bøderne er 40 euro pr. ton,

der udledes ud over det tilladte. Fra 2009 er

bøderne 100 euro pr. ton. Landene straffes ved

at manglende nedbringelser tillægges 30 procent

Figur 35

Brintbus tanker i Malmø.

Der er brug for forsøg

med forskellige tekno logier,

hvor det måske ikke

kan betale sig privatøkonomisk

i første omgang.

Samfundet får på

længere sigt en renere

energiomsætning og

dermed en bedre økonomi.

Man sparer penge,

fordi forureningen er mindre.

På huskesedlen står:

‘OBS, tankas på Sydgas’.

‘Ej i trafik’ betyder at bussen

er uden for sin rute –

ikke, at den ikke bruges.

og skal gennemføres oven i den følgende periodes

krav om nedbringelser.

Hvis man for alvor beslutter at satse på brint, må

man nok regne med, at der vil gå mange år

(tyve?) før omstillingen er sket. Store anlæg

med brændselsceller og elektrolyseceller vil

måske først være økonomisk tiltrækkende, når

de kan træde i stedet for udtjente kraftværker.

Måske vil der komme en periode med forøget

kernekraft, som kan indgå i et brintbaseret transportsystem

og fremme det. Eller forsinke det,

fordi presset på fossile brændsler til el­produktion

mindskes, så man fortsat kan bruge dem til

transport.

Måske vil store centrale anlæg slet ikke få så

stor betydning. Det kan vise sig billigere at

bruge bilerne som lokale anlæg. En sådan udvikling

vil kunne komme hurtigere, fordi dens

tempo følger udskiftningen af bilparken.

37


38

BOREPLATFORM Geologisk tidsskala

Jordens overflade og klima ændrer sig langsomt over millioner

af år, hvor bjerge opstår ved forskydninger i jordskorpen

og slides ned af vind og vejr. Disse ændringer påvirker

livsmulighederne, så nye livsformer opstår og andre forgår.

Sådanne ændringer har vi ingen indflydelse på. Der kan

også ske voldsomme ændringer som følge af nedslag af

meteorer, som det der udryddede de store dinosaurer for ca.

65 millioner år siden, længe før der var mennesker. Vore

forfædre begyndte først at ligne mennesker for 2 millioner

BOREPLATFORM Til diskussion

Vil brintudslip påvirke atmosfæren?

1) I stratosfæren (15­50 km’s højde) reagerer brint med

OH og danner vand. Den ekstra vanddamp over po ler ne

skaber flere iskolde skyer, som medvirker til at sætte fart i

nedbrydningen af ozon over Arktis og Ant ark tis.

2) I troposfæren (0­15 km’s højde) nedbrydes metan af

OH. Brint fjerner OH også her. Det svækker nedbrydningen

af metan, som er en drivhusgas. Dermed vil drivhusvirkningen

af denne gas vokse.

Hvor meget haster det?

OECD vurderede i 2001, at medlemslandene næppe vil

nå de mål i Kyoto­aftalen, de har forpligtet sig til over for

FN. Hvis ikke miljøpolitikken ændrer sig væsentligt, forventes

CO 2 ­udledningerne at stige med 30­40 procent de

næste 20 år. Ifølge Kyoto­aftalen skal udledningerne falde

med 20­40 procent. OECD foreslår bred indførelse af skat

på drivhusgasser, udvikling af alternative brændstoffer og

køretøjer, agitation for vedvarende energi og alternative

adfærdsmønstre.

Et lille eksempel: Sluk på stikkontakten, når apparatet

ikke bruges – standby­forbrug giver CO 2 !

OECD anbefaler også udvikling af internationale systemer

til handel med udledninger og forureningstilladelser. Og

man peger på fælles projekter i Østlandene og overførsel

af teknologi til den 3. verden på en måde, der samlet set

mindsker de økonomiske omkostninger. OECD skønner,

at indsatsen i 2020 vil gøre den økonomiske vækst en

pro cent lavere end uden skatter og afgifter. Dette skal

ses i forhold til en vækst i 2004 på ca. 3% i Danmark og

8% i Kina.

år siden, og vores egen art, homo sapiens, er kun 150.000

år gammel. Det kan derfor virke meget naivt at forestille

sig, at vi vil fortsætte som art i millioner af år. Men på den

anden side, er bakterierne milliarder af år gamle ­ de har

været dygtige til at tilpasse sig omskiftelige forhold på

Jorden. Vil vi være lige så dygtige? Og betyder det noget

i det lange perspektiv, at vores aktiviteter påvirker omgivelserne?

Hvorfor ikke udbygge med kernekraft?

Der er ingen CO 2 ­udvikling. Hvilke miljøproblemer har

man på kernekraftværkerne? Hvor længe kan værkerne

holde? Hvilke affaldsproblemer har man med værkerne,

når de er udtjente?

–med solceller?

Hvilke miljøproblemer har man på solcellefabrikker,

brændselscellefabrikker? Hvor længe kan cellerne holde?

Hvilke affaldsproblemer har man med cellerne, når de er

udtjente?

– eller?

Hvorfor ikke bare opsamle CO 2 fra fossile kraftværker og

gemme det i undergrunden?

Hvordan får man folk til at købe brintdrevne biler, så

længe der er så få brinttankstationer?

Hvordan får man energiselskaberne til at bygge brinttankstationer,

så længe der er så få brintdrevne biler?

Skal vi ikke bare glæde os til bedre landbrug i Danmark?

FN’s klimapanel forudsiger, at det bliver lidt varmere hos

os. Det betyder store ændringer i landbrug og skovbrug,

så vi lagrer større mængder kulstof. Det samme gælder

de fleste af verdens rige lande. For sydeuropa er situationen

dog anderledes. Her ventes mange steder meget mindre

nedbør, stigende varme, begyndende ørkendannelse og

mangel på ferskvand.


Figur 36

Her bruges energi. Skyfrie

nattebilleder stykket sammen

af fotos fra rummet.

Sammensat bliver det et

kort over menneskenes

aktivitet i byerne i de rige

og tæt befolkede egne.

“The fact that it might take twenty years to complete the

hydrogen revolution is every reason to begin yesterday.”

David Freeman, California Power Authority.

“Technology is the real enemy ... It will reduce oil consumption

and increase production from other areas ...

The Stone Age came to an end not for a lack of stones,

and the oil age will end but not for a lack of oil.”

Sheik Ahmed Saki Yamani, tidligere olieminister i Saudi

Arabien, nu privat konsulent i London.

39


40

Opgaver PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET?

301

a. Hvad forstås ved et brintsamfund?

b. Hvordan lagres og fordeles energi i dette samfund?

c. Hvordan kan kraftværker fungere som fordelingscentraler?

302 Energi eller funktion?

a. Et køleskab omsætter elektrisk energi for at holde temperaturen

indeni lavere end udenfor. Hvad ville du overveje, hvis

du skulle bygge et nyt køleskab for at få samme funktion med

mindre elforbrug?

b. En bil omsætter brændselsenergi til bevægelse. Hvad ville

du undersøge, hvis du skulle foreslå ændringer, der kunne

mindske brændselsforbruget?

303 Fremtidens energiforbrug

Der er to modsatrettede tendenser.

Forbruget vil stige, fordi levestandarden skal stige i den

fattige del af verden, og fordi vi finder på nye apparater.

Forbruget holdes nede, fordi man opfinder mere

energiøkonomiske apparater.

Undersøg fx Danmarks energiforbrug de sidste 50 år.

a. Hvornår dæmpedes væksten? Hvorfor?

b. Undersøg energiforbrugets udvikling for biler, køleskabe,

vaskemaskiner, computere.

c. Diskutér hvilken af de to tendenser, der vil være stærkest

på længere sigt (25 år, 50 år, 100 år, 1000 år).

304

Et kulfyret kraftværk producerer cirka 1 kg CO 2 pr. kWh el.

Vindmølleparken ved Horns Rev forventes at producere 600

GWh om året.

a. Hvor mange ton kuldioxid spares ved denne produktion?

Danmark skal skære udledningen ned med 15 ­ 25 millioner

ton.

305 Gem strømmen?

Strøm handles på et el­marked, som forbinder Danmark med

Norge, Tyskland og Sverige. Priserne kan variere meget kraftigt,

fra få øre til flere kroner pr. kWh. Du skal nu regne på

strøm fra en vindmøllepark mens elpriserne er nede på 12,5

øre pr. kWh. Du har mulighed for at sælge strømmen til nettet

straks eller “gemme” den ved at producere brint i en elektrolysecelle

med en virkningsgrad på 95 % og så vente til prisen

er oppe på 25 øre pr. kWh, hvor du kan sælge strømmen fra

en brændselscelle med en virkningsgrad på

65 %.

a. Hvor mange penge får du for 100.000 kWh, hvis du sælger

straks?

b. Hvor mange kWh brændselsenergi kan du lagre, hvis du

bruger 100.000 kWh i elektrolysecellen?

c. Hvor mange kWh elektricitet får du ud af brændselscellen,

hvis svaret fra spørgsmål b bruges i den?

d. Hvor mange penge får du for elektriciteten fra

brændselscellen, hvis du sælger den til 25 øre pr. kWh?

e. Kan det betale sig at vente med at sælge?

I virkeligheden må man også regne med udgifter til elektrolyse­

og brændselscelleanlæg. Men det ER store penge, der

kan hentes. En vindmøllepark som den ved Horns Rev, figur

4, kan producere 160.000 kWh i løbet af en time. Forbrugerne

betaler cirka 1 krone pr. kWh.

306 Er kæden for lang?

Får man kun 17 % af elektriciteten fra kraftværket udnyttet

i bilhjulene?

En svejtsisk forsker, Ulf Bossel, forventer 30 % tab ved

fremstilling af brint ved elektrolyse, 35 % tab ved sammentrykning

af brinten, 6 % tab ved fordeling af brinten, 1 %

tab ved tankning, 50 % tab ved omdannelse til el i brændsels­


Figur 37

CO 2 -udslip i forskellige egne af verden. Den økonomiske

vækst i Asien følges af et stigende CO 2 -udslip i

denne region, mens faldet i tidligere Sovjet og Østeuropa

forklares ved afmatning i økonomien og omvæltningerne i

1989. OECD-landene, dvs. de ‘rige’ lande, tegner sig for

over halvdelen af verdens samlede CO 2 -udledning, selv

om de kun har knap 1/5 af verdens befolkning.

OECD-lande i Nordamerika, Europa og Stillehavsområdet

Kina, Asien, Latinamerika og Afrika

Tidligere Sovjet, Centraleuropa og Mellemøsten

celler, 10 % “parasit”tab til blæsere osv. til drift af cellerne,

10 % elektriske tab mellem brændselscellen og hjulene.

a. Gør rede for at omsætningskæden kan skrives som et

produkt af udnyttelsesfaktorer – 0,70; 0,65; 0,94; 0,99; 0,50;

0,90 og 0,90 – og vis at produktet giver 0,17 = 17 %.

Vink: 70 % = 0,70 udnyttes, når tabet er 30 %.

b. Hvor i kæden kan man især sætte ind for at forbedre udnyttelsen?

307 Til diskussion

Skal man regne forbruget i forhold til reserverne eller i

forhold til resurserne?

Kåre Press­Kristensen giver følgende eksempel: I 1950 var

de udnyttelige olieresurser 295 milliarder ton olieækvivalenter

(Gigatoe, Gtoe), de beviste reserver var 10 Gtoe og den

årlige produktion var 0,45 Gtoe. Dvs. den simple udtømningstid

var ca. 650 år (295/0,45) og ikke 22 år (10/0,45). I 1994

var de udnyttelige resurser 200 Gtoe, de beviste reserver 140

Gtoe og den årlige produktion 3,1 Gtoe. Dvs. den simple

udtømningstid var 65 år (200/3,1) og ikke ca. 45 år (140/3,1).

Hvilke beregninger kan bruges til at argumentere for

a. Der er olie nok til lang tid – man finder mere og mere.

b. Udtømningstiden er kun en tiendedel af, hvad den var for

halvtreds år siden.

c. Er den ene type beregning vigtigere end den anden og

hvorfor?

De påviste reserver i 2002 var 146 Gt olie (146 Gtoe), 985 Gt

kul (644 Gtoe) og 125 Gt naturgas (150 Gtoe). I alt 940 Gtoe.

I 2002 brugte vi 8,3 Gtoe fordelt på olie 3,5 Gtoe, kul 2,4

Gtoe og gas 2,3 Gtoe.

d. Beregn udtømningstider, og sammenlign med tiden for

dannelse af fossile energikilder.

e. Prøv at finde oplysninger om resurser, reserver og forbrug

i dag.

Milliarder tons CO 2

50

40

30

20

10

0

1979 1990 1998 1999 2000

308

Betragt det højenergetiske fremtidsperspektiv i kapitel 1 for

en verden med fordoblet befolkningstal i løbet af 50 år og

med et forbrug til alle, som er dobbelt så stort som i USA i

dag (se tabel 1).

a. Diskutér antagelserne, er niveauet rimeligt, er tidshorisonten

rimelig?

Antag, at solceller med en effektivitet på 25 % er almindelige

til den tid.

b. Vis, at de så skal dække 3,5 % af landjorden.

Bemærk dog, at hele behovet ikke vil være elektrisk (se fx

DK i tabel 1).

309

I Kyoto­aftalen indgår blandt andet to mekanismer, Clean

Development Mechanism, CDM og Joint Implementation, JI.

Find ud af, hvad begreberne dækker og prøv at oversætte

dem til dansk. I 2003 blev de første 14 CDM­projekter

bedømt i Bonn. Ingen blev godkendt, men seks var næsten

OK. FN administrerer Kyoto­aftalen.

310 Energiintensitet

a. Aflæs i figur 29, hvor mange $ de forskellige lande

producerer pr. forbrugt GJ.

Disse tal kaldes værdiproduktionen.

b. Udregn ved hjælp af svarene i spørgsmål a hvor mange

MJ de forskellige lande forbruger pr. produceret $.

Disse tal kaldes energiintensiteten.

c. Både tallene i a og b fortæller, hvor effektivt man udnytter

energien. Diskuter hvordan de to forskellige ord kan anvendes

i en debat.

d. I kapitel 1, side 8, blev værdiproduktionen angivet i $/W

(3 $/W for USA og 6 $/W for Danmark). Diskutér forskellen

på de to synsvinkler, $/W og $/GJ.

41


42

Efter denne øvelse vil I kunne svare på, hvordan cellerne

bedst udnyttes fx på elkraftværker og i biler. Det øger jeres

forståelse af øvelsen og letter jeres arbejde med rapporten,

hvis I har besvaret “Før øvelsen” ­ spørgsmålet, før I går i

gang med at måle.

Formål: I skal finde den gennemsnitlige produktion af elektrisk

effekt og bestemme virkningsgraden.

Diagram: Se næste spalte.

Øvelser

1. Brændselscellens effekt og virkningsgrad

Udstyr: Brændselscelle, dekademodstand, amperemeter, voltmeter,

stopur, brint fra elektrolysecelle, elektrolysecelle med

ca. 2 V spændingsforsyning.

Opstilling: Lad brint strømme svagt gennem cellen i nogle

minutter, så cellen ”luftes ud” før målingerne påbegyndes.

Den brint man har tænkt sig at føde ind i cellen holdes klar i

et lager med kendt rumfang. Hvis brinten kommer fra en elektrolysecelle

med målbare lagre, kan man fylde lagrene med

brint og ilt og dernæst afbryde elektrolysen, når man er klar.

Tips om elektrolysen: Der fyldes op med demineraliseret

vand. Elektrolysecellen forsynes med cirka 2 V fra en spændingskilde,

eventuelt et solpanel. Der kan være begrænsning

på den tilladte strømstyrke. Tålmod: Der kan gå lidt tid før

cellen kommer i gang, hvis den har stået ubenyttet i længere

tid. Det kan skyldes udtørring af elektrolytten. Efterlad cellen

med vand. Tålmod også med brændselscellen.

Fiduser om styring af gassen: Pointen er at man styrer gassen

med klemmer på slangerne. Når man sidder med udstyret er

det ikke så indviklet, som det lyder her. Mens brændselscellen

luftes igennem holdes begge udstødninger åbne. Når man er

klar til måling, lukkes tilledningen og udstødningen på brintsiden,

og man tjekker, at brintlageret er fyldt. Så slukkes for

elektrolysen. Udstødningen på brintsiden skal forblive lukket

under målingen (ellers har man ikke kontrol over den for­

H

2

-

-

-

+

H

H +

+

Brændselscelle

H 2

V

Lagertanke

-

O 2

Elektrolysecelle

- +

0 - 1,9 V

A

-

O eller luft

2

H O

2

Eksplosiv


ugte brintmængde). Nu kan tilledningen åbnes og målingen

begynder. Man skal nok øve sig et par gange på at få åbnet

og lukket korrekt. Man skal også tilstræbe, at cellen straks

producerer elektricitet, når man åbner for brinttilførslen. Det

sikres ved at starte målingen kort tid efter at cellen tidligere

har kørt ved en belastning, der ligner den, man har tænkt sig

at måle på.

Målinger: Strøm I og spænding U fra brændselscellen aflæses

ved en bestemt belastning fx 2,0 ohm. Mål tiden t for

forbrug af et vist brintrumfang V. Fidus: start og stop tidtagningen

når vandoverfladen passerer en delestreg på lagerbeholderen.

Overvej, hvad man gør, hvis I og U ændrer sig

under forsøget. Gentag ved en anden belastning, fx 0,5 ohm,

og ved flere andre ...

Databehandling: Beregn den gennemsnitlige produktion af

elektrisk effekt

P = U · I

og den samlede produktion af elektrisk energi E = U·I·t

elektrisk

i løbet af tiden t. Beregn energien i det forbrugte brintrumfang

E = H ·V , hvor H er brændværdien 12 J/mL ved

brændsel V V

25 °C og 1 atm.

Bestem virkningsgraden

h = Eelektrisk

E

brændsel

Virkningsgraden angives i procent. Målinger og resultater

samles i tabel som nedenfor.

Konklusion: Sammenlign effekten og virkningsgraden

ved forskellige belastninger. Kommentér. Modstanden i

forsøget forestiller belastningen; det kan være bilens motor

eller elnettet koblet til kraftværket. Hvor skal man lægge

sig i belastning, hvis man bruger cellen i en bil, hvor man

ønsker stor acceleration for en given cellestak? Hvor skal

man lægge sig i belastning, hvis man bruger cellen i et elkraftværk,

hvor man ønsker at udnytte brændslet så effektivt

som muligt?

Eventuelt: Der kan sive brint ud af lageret under forsøget.

Man kan tage højde for denne fejlkilde ved at fylde lageret

med brint, lade det stå i nogle minutter uden at der tappes

brint til brændselscellen og så måle, hvor meget brint der

siver ud, mens man tager tid.

“Før øvelsen”. Effekt og virkningsgrad.

En brændselscelle leverer 208 mA ved 0,695 V i 180 s under

et forbrug af 5,7 mL brint ved 25 °C og 1 atm. Beregn cellens

effekt P og virk ningsgrad h.

R V t U I P E elektrisk E brændsel

W

2,0

0,5



mL s V A W J J %

Svar:

43


44

2. Brændselscellens belastningskarakteristik

Polspændingen U fra en brændselscelle falder, jo mere strøm

I man forsøger at trække ud af den. I skal her undersøge

hvordan. Det øger jeres forståelse af øvelsen og letter jeres

arbejde med rapporten, hvis I har besvaret “Før øvelsen” ­

spørgsmålene, før I går i gang med at måle.

Udstyr: Brændselscelle, variabel belastning (fx dekademodstand),

amperemeter, voltmeter, brint fra lager eller fra elektrolysecelle.

Diagram: Se næste spalte.

Målinger: Lad brint strømme svagt gennem cellen i nogle

minutter, så cellen ”luftes ud” før målingerne påbegyndes.

Mål nu samhørende værdier af strøm I og polspænding U for

variabel belastning. Der kan være begrænsning på, hvor stor

strøm cellen kan tåle at afgive.

Databehandling: Målingerne indtegnes i en (I, U)­graf.

Aflæs hvilespændingen. Måske kan målepunkterne beskrives

nogenlunde ved en ret linie. Aflæs skæringen med 2. aksen

og giv en fortolkning. Bestem hældningen af linien og giv en

fortolk ning af hældningen.

Formlen for linien kan fx være U = U 0 – R·I. Beregn ud fra

din model den maksimale strømstyrke I max , som cellen kan

levere, hvis den ellers kan tåle det.

Eventuelt: Hvis I har sørget for også at have målinger ved

forskellige små strømstyrker, vil I måske opdage, at (I, U)grafen

kræver en model med to rette linier, der mødes i et

knæk. Bestem hældningerne af linierne og giv en fortolkning

af forskellen mellem dem.

“Før øvelsen”. Belastningskarakteristik.

1. En måleserie af strøm I og spænding U for en brændselscelle

tilnærmes med en ret linie gennem (0,00 A; 0,78 V) og

(0,50 A; 0,58 V). Beregn den indre modstand R i .

Svar:

2. Beregn den maksimale strømstyrke I max .

Vink: Brug hvilespændingen U 0 og den indre modstand R i fra

spørgsmål 1.

Svar:

H

2

-

-

-

+

H

H +

+

Brændselscelle

H 2

V

Lagertanke

-

O 2

Elektrolysecelle

- +

0 - 1,9 V

A

-

O eller luft

2

H O

2

Eksplosiv


SMÅØVELSER

3. Brintbilen

Fyld demineraliseret vand på en modelbil med PEM­celler.

Tilslut spændingskilde og tag tid for “opladning”, dvs. gasproduktion

til fyldt brinttank. Mål hvor lang tid bilen kan

køre. Det kræver en nærmere undersøgelse at finde den mest

økonomiske ladespænding, se projekt 7.

4. Mængdeforhold ved elektrolyse

Undersøg om der som forventet ved elektrolyse dannes dobbelt

så meget brint som ilt.

5. Reaktionsforhold i brændselscellen

Mål forholdet mellem forbruget af brint og ilt, når de to gasser

tilledes en brændselscelle.

PROJEKTER

6. Faradays love for elektrolyse

Tilrettelæg og gennemfør måleserier, der undersøger brintproduktionen

i en elektrolysecelle. Hvad skal måles? Hvilke

apparater skal bruges? Er produktionen proportional med tid

og strømstyrke, som man forventer? I kan hente hjælp i figur

22.

7. Virkningsgrad ved elektrolyse

Tilrettelæg og gennemfør målinger, der undersøger virkningsgraden

ved elektrolyse. Hvad skal måles? Hvilke apparater

skal bruges? I kan hente hjælp i formel (12).

8. Energilagring. Det ideelle energikredsløb.

Gennemfør en forsøgsrække med solpanel, elektrolysecelle

og brændselscelle i en “energikæde”. I skal måle virkningsgraderne

i de enkelte led i kæden. Hvilke driftsbetingelser

skal man vælge? Hvor er der størst rum for udvikling?

9. Opfinderprojekt. ‘Cirkeltank’

Ide: Genbrug af vand fra udstødningen

Problem: En bil med reversible celler kan “tanke op” om

natten, hvis cellen kobles til elnettet. Det ville være praktisk,

hvis man ikke hver gang behøvede at fylde vand på til

elektrolysen. En ‘cirkeltank’ ville også lette anvendelsen af

bilen som minikraftværk og elektrolysestation.

Mål: Design en konstruktion så vandet fra udstødningen i

en reversibel brændselscelle føres tilbage og kan bruges, når

cellen kører som elektrolysecelle.

Patent: Formulér en patentansøgning på jeres opfindelse.

Teknologisk Institut har en opfinderside

http://opfind.teknologisk.dk

Patent­ og Varemærkestyrelsen har en patentdatabase

http://dk.espacenet.com

45


46

Supplerende litteratur

Nye energiteknologier, Temanummer Kvant 1/2004.

Hydrogensamfundet, T. R. Jensen, Aktuel Naturvidenskab 1/2004.

Introduktion til Brint & Brændselsceller, 2003, www.minihydrogen.dk.

Brændselsceller, Fysik i Perspektiv 1/1997, Fysikforlaget, www.fipnet.gymfag.dk.

Dekommissionering af Risøs nukleare anlæg - Miljømæssige aspekter, P. H. Jensen, Kvant 3/2002

Miljø & Udvikling, Global miljø­konference i Rio de Janeiro, Danmarks Naturfredningsforening 1992.

T. Amtrup og O. Trinhammer, Obligatorisk fysik, Gyldendal, København 1992.

H. Nielsen & P. Martinsen, Globale energiperspektiver, F & K Forlaget, København 1981.

T. Johansson, Energikilder, Gyldendal, København 1980.

Hjemmesiden evigenergi.fys.dk borer videre i blandt andet

Brændselscelletyper

Virkningsgrader, strømme og spændinger i brændselscellen

Langsigtede perspektiver i energiforsyningen og Jordens varmebalance

Energikvalitet og virkningsgrader

Carnot­virkningsgraden

Gibbs­virkningsgraden

Curzon­Ahlborn­virkningsgraden

Tekniske og videnskabelige kilder

Brændselsceller - karakteristika, anvendelsespotentialer og udviklingsaktiviteter.

Notat fra Ingeniørforeningen i Danmark ca. 2003.

Energistyrelsen, Energistatistik 1999, København 2000. Samt nyere på www.ens.dk.

H. Arbo­Bähr m.fl., Samfundsstatistik 1999, Columbus, København 1999.

Ø. Holter m.fl., Fysikk og energiressurser, 2. udgave, Universitetsforlaget, Oslo 1998.

Heliocentris manualer Faraday Efficiency and Energy Efficiency of the Fuel Cell/Electrolyser, Berlin

1999, samt H. Colell & B. Cook Fuel cells. Clean, quiet power for the future, ca. 1998,

Dansk forhandler: Søren Frederiksen A/S, Ølgod.

Brændselsceller, Manual, Inventa, Forskerparken Fyn 1995.

A. Rose, A Global View of Solar Energy in Rational Units, Phys. Stat. Sol. (a) 56 (1979) 11­26.

M. Mogensen & N. Christiansen, Europhysics News, 24 (1993) 8.

M. Mogensen, Brændselsceller, Dansk kemi, jan. 1991 (også Risø­rapport som særtryk).

M. Mogensen, C. Bagger (Risø), K. Aasberg­Petersen, L. J. Christiansen (Haldor Topsøe), B. Sander,

J. N. Paulsen (Elsamprojekt), An Introduction to Solid Oxide Fuel Cells. Project report nr. 2, 1992.

B. t. Dieck, Einfürung in die Chemie, Teil 3, Verlagsgesellschaft, Schulfernsehen, Köln 1979.

A. J. Appleby & F. R. Foulkes, Fuel Cell Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York 1989.

H. Nielsen m.fl., Fysik og energiproblemer, Forelæsningsnoter, Århus Universitet 1977.

F. W. Sears, Thermodynamics, 2nd ed., Addison­Wesley, Massachusetts 1953.

F. L. Curzon & B. Ahlborn, Efficiency of a Carnot Engine at Maximum Power Output, Am.J.Phys 43

(Januar 1975) 22­24.

Jan Dahlmann, Rolf Haugaard Nielsen og Sanne Wittrup, artikler i Ingeniøren – se hjemmesiden.


Aampere, 17, 18, 20, 21, 43, 44

anode, 14, 15, 21, 25

arbejde, nyttigt, 16

arbejdsmaskine, 5

Bbatteri, 13, 16, 27

belastning, 14, 18, 19, 20, 26, 43, 44

belastningskarakteristik, 44

brintsamfund, 10, 28, 29, 30, 35, 40

brændselscelle, 7, 8, 13, 14, 15, 16, 18, 34, 42

brændværdi, 12, 17

CCarnot­virkningsgrad, 18, 46

Ddiskussion, 38, 41

drivhuseffekt, 10

drivhusgas, 16, 38

Stikord

Eeffekt, 7, 8, 9, 17, 18, 20, 42, 43

effektforbrug, 7, 8, 12, 31

effektivitet, se virkningsgrad

effektmaksimering, se maksimal effekt

effekttæthed, 12

elektrode, 14, 15, 18, 22, 42

elektrolyse, 6, 13, 16, 21, 45

elektrolyt, 13, 14, 15, 19, 24, 25

elektrolytmodstand, 19

elektromotorisk kraft, se hvilespænding

element, 13

emk, se hvilespænding

energiforbrug, 7, 8, 31, 40

energikilder, 28, 30, 31, 46

energikredsløb, ideelt, 6, 45

energilagring, 45

energiomsætning, 8, 29, 37

energireserver, 8, 9

evighedsmaskine, 6, 11

FFaradays love, 21, 45

fossile energikilder, 29, 30, 41

Ggeologisk tidsskala, 38

Gibbs­virkningsgrad, 18, 46

Hhvilespænding, 18, 20, 26, 44

hydrid, 25

hældning, 18, 19, 26

Iideelt energikredsløb, 6, 45

indre modstand, 17, 18, 19, 26, 44

intensitet, 9

47


48

JJordens varmebalance , 9, 10, 46

joule, 7, 8, 17, 33

Kkarakteristik, belastnings­, 44

katalysator, 14, 17, 21

katode, 14, 15, 21, 25

kemisk energi, 8

klima, 8, 10, 30, 34, 38

knaldgas, 15, 21, 22, 27

kortslutningsstrømstyrke, se maks. strømstyrke

kuldioxid, 10, 16, 29, 33, 34

kultveilte, se kuldioxid

kvælstofilter, 17

Llagring af brint, 25

linie, 18, 19, 26, 44

Mmaksimal effekt, 20, 26

maksimal strømstyrke, 18

membran, 15

metalhydrid, 25

millisol, 8

modstand, elektrolyt­, 19

modstand, indre, 17, 18, 19, 26, 44

modstand, polarisations­, 19

Nnyttevirkning, se virkningsgrad

nyttigt arbejde, 16

nødstrømsanlæg, 23, 25

Oohm, 18, 26, 43

PPEM­celle, 14, 15, 18, 45

polarisationsmodstand, 19

polspænding, 18, 20, 43, 44

Rreserve, 8, 30, 41

resistans, se modstand

ressource, se resurse

resurse, 7, 30, 41

Ssolcelle, 6, 10, 11, 16, 30, 38

solpanel, 6, 13, 16, 34

solpletaktivitet, 30

spænding, 16, 17, 18, 21, 42, 44

strømstyrke, 16, 17, 18, 21, 42, 44

Uudnyttelsesfaktor, 41

Vvarmebalance, Jordens, 9, 10, 46

vekselretter, 23

virkningsgrad, total, 17, 21, 43, 45

virkningsgrad, Carnot, 18, 46

virkningsgrad, Gibbs, 18, 46

volt, 17, 18, 20, 21, 43, 44


Evig Energi ?

- brændselsceller og brintsamfundet

er skrevet til Fysik C på gymnasialt niveau og kan anvendes

såvel til det introducerende niveau som i senere

valgfag og studieretning. På bogens hjemmeside

findes der uddybende materiale, der også kan udfordre

eleverne på niveau B og A. Tre bøger, Brændselsceller

og brintsamfundet, Solceller samt Evighedsmaskiner er

samlet under en fælles betegnelse, Evig Energi? Man

ser både eksempler på kreativ snilde, teoretiske modeller

og naturlovene bag udfoldelsen af menneskets

virkelyst.

Ideen er at vise hvilke muligheder, der er for at realisere

brintsamfundet, hvis “blot” effektiviteten af solceller

og brændselsceller forbedres. Med brintsamfundet

menes et bæredygtigt samfund med en stor andel af

vindmøller og solceller, hvor overskudsstrøm bruges

til produktion af brint fra vand. Brinten anvendes så i

brændselsceller i biler og kraftværker, og vandet gendannes.

En slags “evighedsmaskine” i praksis.

I løbet af de år, der er gået, mens denne bogserie blev

til, har mange nye ideer om solceller set dagens lys, og

bilfabrikkerne er begyndt at interessere sig for brændselsceller.

Det er et mål, at eleverne vil tiltrækkes af

det offensive i projektet ­ og indse, at selv om naturen

sætter nogle grænser, er der stadig et stort spillerum

for fantasi og kreativitet. Her kan man faktisk gøre noget

for en renere energiforsyning.

Bogseriens hjemmeside: evigenergi.fys.dk

FYSIKFORLAGET 2005

ASF ✓

NVG ✕

A ✓

B ✓

C ✓

FYSIK

ISBN 87-7792-027-9

More magazines by this user
Similar magazines