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?
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
DTU Energis testlaboratorium til elektrolyse og brændselsceller. (Foto: DTU Energi)
Keramisk elektrolysecelle gøres klar til test. (Foto: DTU Energi)
Elektronmikroskopibillede af en nanostruktur fra en elektrolysecelle. De små lyse og mørke prikker viser atomerne i materialet. (Foto: Søren Bredmose Simonsen)
Elektronmikroskopibillede af nanostrukturer fra en elektrolysecelle. Farverne viser placeringen af forskellige grundstoffer (grøn = zirkonium, rød = cerium, blå = kobolt). (Foto: Søren Bredmose Simonsen)
