Kan brændselsceller og elektrolyse løse fremtidens energiudfordringer?

Forestil dig en blæsende forårsdag. Solen skinner, og vingerne snurrer rundt på vindmøllerne og producerer strøm. Men dagen efter er der måske helt vindstille. Vingerne snurrer ikke længere, og der kommer ingen strøm ud af dem.

Danmark er – som så mange andre lande verdenen over – i fuld gang med den grønne omstilling. Målet er at nedbringe fossile brændstoffer i energiforsyningen ved at bruge vedvarende energikilder i stedet for.

Her står vind og sol står højt på listen.

Men hvad gør vi, hvis vinden ikke blæser, solen ikke skinner – eller hvis det blæser mere, end vi har brug for?

Det kræver, at vi kan producere strøm fra andre kilder, og at vi kan lagre strøm til senere brug. Særligt, når der er tale om store energiforbrugere over længere tidsperioder.

Brændselsceller og elektrolyse er to teknologier, som netop kan det.

Hvad er brændselsceller og elektrolyse?

En brændselscelle er en slags omformer, der konverterer kemisk energi i et brændstof – for eksempel brint – direkte til elektrisk energi og varme.

Det gør den via en elektrokemisk reaktion inde i cellen.

En af fordelene ved brændselsceller er, at der kun er et konverteringstrin, i modsætning til konventionelle forbrændingskraftværker, hvor der sker mange konverteringstrin:

Brændstof forbrændes, vand fordampes, vand komprimeres, vand drives gennem en turbine, og den roterende turbine genererer strøm.

Hvert konverteringstrin er forbundet med energitab. Med andre ord giver den samme mængde brændstof mere strøm via en brændselscelle end via et forbrændingskraftværk. Brændselsceller har derfor det, man kalder en højere elektrisk virkningsgrad.

Når der bruges brint som brændstof, er vand det eneste biprodukt. Det vil sige, at der ikke er andre emissioner.

I elektrolysen sker den omvendte proces. Man leder strøm til cellen, hvorved vand bliver spaltet til brint og ilt. Brint kan gemmes til senere brug, bruges som brændstof i køretøjer eller omdannes til andre produkter.

Disse muligheder sammen med den overordnede kemiske reaktion i begge 'retninger' er vist i illustrationen.

\ Læs mere

Elektrolyse kan lagre grøn energi – ny forskningsmetode skal gøre teknologien rentabel

Arbejder på nanometerniveau

I virkeligheden er processerne meget mere komplekse. Der indgår stoftransport, vekselvirkninger, katalytiske og elektrokemiske reaktioner, som kræver en nøje afstemning af materialer og strukturer på nano- og mikrometerskala. Det vil sige i en størrelsesorden af cirka et menneskehår og mindre.

Mens brændselsceller og elektrolyseceller fungerer omvendt af hinanden, er de i høj grad opbygget på samme måde.

Cellerne består hovedsagelig af tre lag: to elektroder – en anode og en katode – og en elektrolyt imellem dem. Det er elektrolyttens kemiske sammensætning, der bestemmer celletypen og dens anvendelse.

Nogle celletyper fungerer ved omkring 80 grader, andre ved høje temperaturer. Typiske anvendelsesområder er den mobile sektor, for eksempel biler eller skibe og stationære formål, såsom kraftværker De fleste typer kører kun i en retning, enten elektrolyse eller brændselscelle.

Der er dog en type celler, keramiske eller højtemperaturceller, som rent faktisk kan køre som skitseret i figuren ovenfor. Det vil sige, at de kan fungere både som elektrolysecelle og som brændselscelle.

Sådan en reversibel – altså vendbar – drift ligner lidt et batteri. Det vil sige, at den kan oplade i perioder med meget vindstrøm og bruge strøm i perioder af manglende produktion.

Energimængden er en fordel

Hvad er så fordelen med disse celler? Vi har tidligere i artiklen beskrevet, hvordan brændselsceller har en højere elektrisk virkningsgrad – altså, at man med den samme mængde brændstof kan få mere strøm ud af en brændselscelle end via et forbrændingskraftværk.

En anden fordel er energimængden.

Et batteris energimængde ligger i selve batterimaterialet. Det betyder for eksempel, at hvis et batteri skal køre dobbelt så længe, så må man fordoble batteriets størrelse.

Når batteriet er løbet tør for strøm, skal det genoplades eller skiftes.

For elektrolyse- og brændselsceller ligger energimængden i de tilførte stoffer. Det vil sige, at man kun behøver tanke mere hydrogen eller bygge en større tank.

En brændselscelle kører, så længe der tilføjes brændstof. En elektrolysecelle bliver ved at spalte vand, så længe der tilføres strøm og vand. Det giver mulighed for at lagre strøm fra vind, eller at levere strøm til store enheder over længere tidsrum.

\ Læs mere

Stigende energipriser: Tips til at spare penge og leve mere grønt

Hvor finder vi brændselsceller og elektrolyse?

Der findes allerede kommercielle brændselsceller, som bliver brugt til netop det og leverer strøm og varme til enkelte huse, supermarkeder, hospitaler og så videre.

Systemer med den omvendte proces, elektrolyse, vinder mere og mere opmærksomhed i disse dage.

Vindenergien skal kunne udnyttes i sin helhed, også når vinden blæser i høj fart. Det kan man gøre ved hjælp af elektrolyse, hvor man gemmer strøm i form af kemisk energi, som for eksempel et brændstof. Dette kan man så bruge på et senere tidspunkt til strømproduktion (for eksempel via brændselsceller) eller til at drive tunge køretøjer, for eksempel i form af grønt brændstof.

Især i skibsfarten med de store fragtskibe og inden for luftfart kan det være brint eller afledte brændstoffer. Processen hedder også 'Power-to-X' som du måske allerede har hørt om i medierne.

\ Læs mere

‘Power-to-X’ skal forvandle blæsevejr til grønne brændstoffer – og udviklingen har rykket sig markant

Vi forsker på højtryk for forbedrede celler

Som beskrevet ovenfor ligger succesen for cellerne i det rette sammenspil mellem materialer og strukturer.

Det har forskerne knoklet med verdenen over, og de er lykkedes med at drive forskning og udvikling hen imod kommercielle produkter.

På DTU Energi har mine kolleger og jeg også knoklet på tværs af faggrænser og uddannelser i et motiveret team af teknikere, laboranter, studerende, ingeniører og forskere. Resultatet er blandt andet denne brændsels-elektrolysecelle, som vi har udviklet.

Figuren herover viser cellen, som typisk har en kantlængde på 10-12 cm. For at kunne se de enkelte lag, altså elektroderne og elektrolytter, er det nødvendigt at anvende et elektronmikroskop. Mikroskopbilledet viser, at disse lag er mindre end 100 µm tyk. Det svarer til 0.1 mm.

Kunsten er at skræddersy strukturer og partikler på denne størrelsesorden.

Løsninger for alle udfordringerne med at fremstille forbedrede celler kan dog kun tilvejebringes i et endnu større samarbejde, via nationale og internationale projekter.

Et af de seneste projekter forener kræfterne fra 16 stærke partnere, deriblandt fem teknologivirksomheder, med DTU i spidsen som koordinator og med støtte fra EU.

Målet for projektet, som forkortet hedder NewSOC, er at levere næste generations højtemperaturceller. Celler, der er mere effektive, er mere holdbare og ikke mindst billigere end de celler, der er tilgængelige i dag.

Hvis vi vender tilbage til det indledende spørgsmål: 'Kan brændselsceller og elektrolyse løse fremtidens energiudfordringer?', må svaret derfor være:

Ja, de kan være med til at løse vores udfordringer, sammen med flere andre innovative teknologier som batterier og katalyse.

Det kræver stadig stor indsats på alle fronter, fra forskning til udvikling og implementering i samfundet, og giver den kommende generation interessante muligheder for at udfolde sig.

Hvis du har lyst til at dykke dybere ned i teknologien bag brændsels- og elektrolyseceller, kan du læse mere her.

\ Læs mere

Skru 1 grad ned for varmen: Derfor kan det faktisk gøre en forskel for energikrisen

\ Læs mere

Disse 3 energilagrings-teknologier kan hjælpe med omstillingen til 100 procent vedvarende elektricitet