Elektrolyse kan lagre grøn energi – ny forskningsmetode skal gøre teknologien rentabel
For at blive CO2-neutrale skal vi kunne lagre energi billigt og effektivt. Ny metode skal forbedre elektrolyseteknologien ved at undersøge, hvorfor elektrolysecellerne langsomt nedbrydes og mister deres effekt.

Forestil dig en verden, hvor elektricitet fra vind- og solenergi kan gemmes og bruges, når der er vindstille og overskyet.

Den verden eksisterer faktisk allerede i dag.

Vi kan gemme både sol- og vindenergi med en række forskellige teknologier. Den mest kendte er batterier.

Vi kan også bruge varmepumper til at omdanne energien fra strøm til varme, som kan gemmes og bruges, når det er koldt.

En tredje teknologi er elektrolyse. Elektrolyse er en kemisk reaktion som drives af energi fra elektrisk strøm. Med elektrolyse kan vi på den måde lagre energien som et brændstof.

Vi kan for eksempel bruge energien fra strøm til at splitte vand i ilt og brint, hvor brinten er brændstoffet. På den måde kan vi lagre større mængder energi, end det er muligt med batterier, og vi kan gøre det mere effektivt.

Elektrolyseceller og brændselsceller

Elektrolysecelle: En elektrolysecelle bruger elektricitet til at spalte for eksempel vandmolekyler (H2O) til brint (H2) og ilt (O2). Det er en såkaldt elektrokemisk reaktion. Derved bliver den elektriske energi omdannet til kemisk bundet energi i brintmolekylerne. Keramiske elektrolyseceller er de mest effektive, og de kan også spalte andre molekyler end vand, for eksempel CO2.

Brændselscelle: De keramiske elektrolyseceller kan også bruges som brændselsceller. En brændselscelle producerer strøm ved at bruge energi fra et brændstof. De keramiske celler kan altså køre i to retninger. Kører vi den ene retning, laver vi et brændstof (elektrolysecelle), som kan opbevares. Kører vi den anden retning, laver vi strøm (brændselscelle) ud fra vores brændstof.

Ustabile celler mister deres effektivitet

Der findes forskellige typer elektrolyseceller, hvor de mest effektive er keramiske celler. Den celletype kommer sandsynligvis til at spille en vigtig rolle i fremtidens grønne samfund.

Men vi har behov for at kunne lave celler, der er mere stabile og dermed mere rentable, end dem vi har i dag. Selv de bedste celler, vi har i dag, mister langsomt deres evne til at producere brændstof.

Vi ved, at det skyldes ganske små forandringer i cellernes struktur, og i hvordan de forskellige grundstoffer er fordelt i cellerne (se f.eks. her og her). Selvom forandringerne er nanometer-små, har de stor betydning for cellernes effektivitet.

Forandringerne skyldes, at keramiske elektrolyseceller udsættes for elektrisk spænding, mens de er meget varme (ca. 700-1000 °C), hvilket er hårde betingelser for de fleste materialer.

Men vi mangler en mere detaljeret forståelse af, præcis hvordan forandringerne opstår, så vi kan finde metoder til at bremse eller helt stoppe dem.

LÆS OGSÅ: Elektrolyse gør al energi fra vindmøller værdifuld

En ny metode: Celletest i elektronmikroskop

Når vi i dag tester cellerne, som vi for eksempel gør det på DTU Energi, kan vi lave elektriske og kemiske målinger på cellerne. Men vi kan ikke se de forandringer, der opstår i cellernes struktur eller grundstofsammensætning.

For at kunne det må vi efter testen skære små stykker ud af cellerne og lægge dem ind i elektronmikroskoper. Her kan vi se cellernes nano-struktur, og om grundstofferne har flyttet på sig.

Men vi kan ikke se direkte, hvornår eller hvordan forandringerne er opstået.

Derfor vil vi nu udvikle en helt ny metode, der tillader netop det. Vi vil fremstille celler, som er så små, at de ikke kan ses med det blotte øje. Vi vil montere dem i en mini-reaktor, der er så lille, at den kan være inde i et avanceret elektronmikroskop.

Her vil vi kunne teste cellerne samtidig med, at vi kan se grundstoffer og strukturer i cellen. Vi kan optage billeder og film af cellerne med så højopløsning, at vi vil kunne se, hvordan atomerne bevæger sig, mens cellen er aktiv.

På den måde kan vi direkte se, hvordan forandringer i cellerne opstår og hvilke testbetingelser, der er kritiske for dem.

LÆS OGSÅ: Fremtidens energiløsninger findes. Hvordan kommer vi i gang?

Hør Søren Bredmose Simonsen fortælle om metoden og projektet i denne engelsksprogede video fra DTU. (Video: DTU)

Ikke let at få metoden til at virke

Der er dog en god grund til, at vi ikke for længst har udviklet sådan en metode, nemlig at det ekstremt vanskeligt at lave elektrolyseceller små nok til at kunne undersøge dem direkte i et elektronmikroskop.

Cellerne må kun være cirka 100 nanometer tykke og nogle få mikrometer brede. De skal laves af skrøbelige keramiske materialer, og de skal monteres, så vi både kan sætte elektriske kontakter på dem og varme dem op til flere hundrede grader inde i mikroskopet.

Dertil kommer, at man normalt skal have vakuum inde i et elektronmikroskop, mens vi i vores eksperimenter skal bruge reaktive gasser. Så der er mange ting, der skal falde i hak, for at metoden kommer til at virke.

Forskerzonen

Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.

Til gengæld kan vi bruge den forståelse, som den nye metode giver, i udvikling af mere stabile elektrolyseceller som kan indgå i en grøn energiinfrastruktur. Her vil elektrolyse bidrage ved at kunne lagre store mængder af energi, når vi har overskud af strøm fra vindkraft og solceller.

Energien fra de lagrede brændstoffer kan effektivt omdannes til elektrisk energi igen ved hjælp af brændselsceller. Man kan også vælge at bruge det lagrede grønne brændstof i fly, lastbiler og skibe.

Søren Bredmose Simonsen har modtaget ca. 11 millioner kroner til at lave grundforskning i denne metode af Det Europæiske Forskningsråd (ERC). Læs mere her.

Du kan læse om - og debattere - mange flere videnskabelige bud på løsninger på verdens problemer i Videnskab.dk's Facebook-gruppe Red Verden.

LÆS OGSÅ: Hvad gør vi når olien er væk?'

LÆS OGSÅ: Tror du, at en vindmølle er bæredygtig?

LÆS OGSÅ: Forskere vil forvandle CO2 til produkter, som i dag laves af olie

Hvad er et elektromikroskop?

Et elektronmikroskop minder om lysmikroskoper, men hvor man sender elektroner igennem det, der undersøges i stedet for lys.

Opløsningen i billederne fra et elektromikroskop er så høj, at man kan se atomernes placering. Det er også muligt at se, hvilke grundstoffer materialer består af.

Normalt virker elektronmikroskoper kun i vakuum. Man pumper altså al luft ud af mikroskopet der, hvor materialet undersøges.

For at lave eksperimenter med elektrolyse inde i et elektronmikroskop bruger vi et meget specielt mikroskop, som vi har på DTU, hvor vi kan undersøge materialer i vanddamp og andre gasser.

Red Verden med Videnskab.dk

I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.

Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?

Du kan få mange gode tips og råd i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.