Introduktion til hydrogen og brændselsceller - en kort introduktion www.minihydrogen.dk 1
Indholdsfortegnelse Introduktion... 2 Det fossile energisystem... 3 grunde til forandring... 3 Forurening...3 Faldende olieforsyning...3 Hydrogen energisystemet... 4 vedvarende og ren energi... 4 Hydrogen produktion... 5 omdan universet til hydrogen... 5 Hydrogen lagring og distribution... 6 håndtering af hydrogen... 6 Tryk lagring...6 Flydende lagring...6 Metanol lagring...6 Metalhydrid lagring...6 Brændselsceller... 7 omdannelse af hydrogen til energi... 7 Basis princip...7 Stakke princip...7 Brændselscelle typer...8 Brændselscelle fordele og ulemper...8 Hydrogen til transport... 9 ren, lydløs og futuristisk... 9 Hydrogen til strøm og varme... 10 producer din egen energi...10 Hydrogen til mobil energi... 11 uudtømmelig mobil energi...11 Introduktion Hydrogen og brændselsceller er elementer i et nyt energi system med hydrogen som energibærer. Vedvarende energi bruges til at spalte vand til hydrogen og oxygen. Hydrogen lagres og distribueres hen hvor der er behov for energi. Her omdannes hydrogen igen til energi i en brændselscelle med vand som det eneste udstødningsprodukt. En omstilling til hydrogen er nødvendig for at imødegå fremtidens stigende udfordringer med faldende olieforsyning og global opvarmning som følge af afbrændingen af fossile brændsler. Mange ressourcer anvendes verden over for at realisere hydrogen og brændselscelle visionen. Adskillige hydrogen tankstationer er allerede åbnet rundt om i verden og flere er på vej. Bilfabrikanterne udvikler nye hydrogen biler som er lydløse og forureningsfri. Myndigheder og organisationer arbejder med at skabe rammebetingelserne på markedet for at accelerere og fremme udviklingen af en ren og vedvarende hydrogen fremtid. Dette dokument er beregnet til at give læseren en grundlæggende og forståelig introduktion til fremtidens hydrogen og brændselscelle teknologi og økonomi. minihydrogen og H2 Logic ApS har udviklet dette undervisningsmateriale til anvendelse i naturvidenskabelig undervisning i den danske folkeskole og på de danske tekniske og almene gymnasier. minihydrogen kan ikke holdes til ansvar for undervisningsmaterialets indhold, og det må forventes at indholdet efterhånden vil blive forældet grundet nye forskningsresultater. Det anbefales således jævnligt at hente det nyeste materiale fra minihydrogens hjemmeside. Materiale, data og grafik i dette dokument er udviklet af minihydrogen. Indholdet er beskyttet af loven om ophavsret. Materialet må kun anvendes til ikke kommercielle og uddannelsesmæssige formål, hvor der refereres til minihydrogen. 2
Det fossile energisystem grunde til forandring I dag anvendes energi til tre formål: elektricitet, varme og bevægelse (transport). Det meste af verdens energi kommer fra fossile brændsler som olie, kul og naturgas. Andre energikilder som atomkraft og forskellige vedvarende energikilder anvendes også. Billedet nedenfor viser det avancerede energisystem som forsyner os med energi i dag: Systemet er velfungerende og har hidtil bidraget til at vort samfund har udviklet sig. Men det fossile energisystem står overfor nogle fremtidige trusler som dagligt bliver mere relevante. Forurening Afbrænding af fossile brændsler forurener. CO2 er den omtalte forurening, som bl.a. menes at være årsag til den såkaldte drivhuseffekt som skaber global opvarmning. Andre forureningskilder fra fossile brændsler er SO2, NOx, CO, PAH, Benzen, HC og andre, som også resulterer i lokal forurening, smog og syreregn hvilket påvirker vores helbred især i store byer. Faldende olieforsyning Olie er den vigtigste ressource. Den sikrer vores frihed til at transportere os på en nem måde. Olie er derfor meget værdifuldt for de lande som producerer den, og en stigende omkostninger for dem som er tvunget til at købe den. Men olie er ikke en uudtømmelig ressource. Adskillige lande står overfor stigende omkostninger til indkøb af olie fordi deres egen produktion er faldende. Samtidig er den globale olieproduktion på vej til at toppe og efterfølgende falde. Oveni det er det globale olieforbrug kraftigt stigende. Ledende olie eksperter forudsiger at den globale olieproduktion vil toppe mellem år 2010 og 2040 og olieprisen vil efterfølgende stige. Et nyt energisystem er nødvendigt for at imødegå disse fremtidige trusler. Hydrogen kan være løsningen. 3
Hydrogen energisystemet. vedvarende og ren energi Hydrogen og brændselsceller er elementer i et nyt energisystem med hydrogen som energibærer. Vedvarende energi bruges til at spalte vand i hydrogen og oxygen. Hydrogen lagres og distribueres hen hvor der er behov for energi. Her omdannes hydrogen igen til energi i en brændselscelle med vand som det eneste udstødningsprodukt. Billedet nedenfor viser hydrogen energisystemet: Al energi kommer fra vedvarende kilder som sol, vind, bølger, vand og biomasse. Energien anvendes enten direkte som elektricitet eller lagres i hydrogen og bruges til transport og til strømproduktion når vinden ikke blæser og solen ikke skinner. Energien lagres i hydrogen ved at anvende elektricitet til at spalte vand i hydrogen og oxygen. Processen kaldes elektrolyse. Andre hydrogen produktionsteknologier vil også anvendes, bl.a. til også at producere hydrogen ud fra fossile brændsler. Efter produktionen af hydrogen fungerer den som energibærer (en slags batteri, hvor energi gemmes) og kan levere energi hvor end der er behov for det. En brændselscelle omdanner hydrogen til energi igen. I brændselscellen reagerer hydrogen og oxygen (luft) og danner elektricitet og varme med vand som det eneste udstødningsprodukt. Da brændselscellen er en fleksibel og skalerbar teknologi kan den anvendes i alle de applikationer som kræver energi. Det være sig alt lige fra mobiltelefoner, biler, busser og endog store kraftvarme værker. Brændselsceller har potentialet til at frembringe den næste store energi teknologiske udvikling. Ved at basere energiforsyningen på vedvarende energi undgås udfordringerne og problemerne i det fossile system med forurening og fremtidig mangel på ressourcer. I hydrogen energisystemet bliver det også muligt for alle forbrugere selv at producere deres energi. Men meget skal gøres før hydrogen for alvor kommer til at spille en rolle i vores samfund. De næste afsnit omhandler dette. 4
Hydrogen produktion omdan universet til hydrogen Hydrogen reagerer med mange forskellige materialer og er et af de mest gængse stoffer i universet. 90% af atomerne i det kendte univers er hydrogen. Hydrogen kan derfor produceres ud fra en lang række kilder med forskellige metoder. Den vigtigste hydrogenkilde er vand som kan spaltes til hydrogen og oxygen ved hjælp af elektricitet og elektrolyse. Tabellen nedenfor giver et overblik over de forskellige kilder og metoder for hydrogen produktion: Energikilde Energitype Energiteknologi Produktionsmetode Vindenergi Vandkraft Elektricitet Bølgeenergi Elektrolyse Vedvarende Solenergi Fotovoltisk Fast materiale/gas Biomasse Reformering Biologisk Strøm Atomkraft Elektrolyse Fossil Fast materiale/gas Naturgas Metanol Olie Kul Atom-termisk Reformering Gasifikation Vores energisystem kan ikke ændres til hydrogen fra den ene dag til den anden. Det meste hydrogen produceres i dag til industrielle formål fra fossile brændsler, og det i mængder der langt fra er nok til at forsyne hele vores energisystem med hydrogen. Fossile brændsler er i dag den billigste måde at producere hydrogen på. I en overgangsperiode vil hydrogen derfor primært blive produceret ud fra fossile brændsler. I takt med at vedvarende energi bliver billigere og de fossile brændsler dyrere vil mere og mere hydrogen produktion ske ud fra vedvarende energi. På lang sigt vil elektrolyse af vand ved hjælp af elektricitet fra vedvarende energi blive den vigtigste produktionsform. Alkalisk elektrolyse Billederne ved siden af viser principperne for to typer af elektrolyse. Alkalisk elektrolyse er den mest modne elektrolyse teknologi. En elektrisk spænding påføres en flydende elektrisk ledende elektrolyt. Elektrolytten indeholder hydrogen og oxygen som splittes op ioner når elektricitet tilføres. Hydrogen ionerne og oxygen ionerne vil pga. det elektriske kredsløb tiltrækkes til hver deres elektrode og de bliver derved adskilt. I PEM elektrolyse er elektrolytten en fast polymer udvekslings membran. Det gør det muligt at foretage elektrolyse på helt rent vand hvilket gør hydrogen mere rent. Den store udfordring for hydrogen produktion er at gøre teknologien moden og ved masseproduktion at nedbringe priserne på både teknologien og hydrogen. PEM elektrolyse 5
Hydrogen lagring og distribution håndtering af hydrogen Når hydrogen er produceret er næste skridt at lagre og distribuere den til der hvor energibehovet er. Hydrogen er det første grundstof i det periodiske system og består af en proton og en elektron, hvilket gør det til det letteste og mindste af alle grundstoffer. Derfor er hydrogen også det grundstof som indeholder mest energi sammenlignet med dens vægt men mindst energi sammenlignet med dens volumen. Den store udfordring for hydrogen lagring er derfor at finde teknologier og måder at lagre den på som gør at den fylder lige så lidt som benzin Hydrogen kan lagres under tre former, som en gas som flydende væske eller som et fast materiale. Tryk lagring Volumen af hydrogen falder i takt med at lagringstrykket stiger. Hydrogen lagres i dag typisk ved 200 bars tryk, men bilfabrikanter arbejder allerede nu med tryk på helt op til 700-900 bar. Omfattende sikkerhedstest og afprøvning har vist at hydrogen ved højt tryk er lige så sikker som benzin. Det koster dog energi at sætte hydrogen under så højt et tryk. Flydende lagring Når hydrogen nedkøles til -253 grader Celsius bliver den flydende. Flydende hydrogen har en god energitæthed og fylder mindre end ved tryklagring. Det koster dog meget energi at køle hydrogen så langt ned. Dertil kommer at flydende hydrogen er meget diffunderbar (det fordamper) og kun kan opbevares i få uger på flydende form. Herefter vil det simpelthen være diffunderet ud i omgivelserne. Metanol lagring Metanol er en flydende alkohol som indeholder hydrogen. Den har det halve energiindhold pr. volumen end benzin. Metanol masseproduceres dog allerede i dag og er let at distribuere. Metanol er dog giftig for mennesker men med den rette håndtering udgør dette ikke nogen fare. Metanol bliver muligvis den måde hydrogen lagres på i fremtiden. Forskningen arbejder på at udvikle teknologi som billigt kan omdanne metanol til hydrogen lige før den anvendes i brændselscellen. Der findes også brændselsceller som kan køre Tryk Metanol Flydende Metalhydrider direkte på metanol f.eks. DMFC brændselcellen hvor reformeringen sker internt i cellen. Metalhydrid lagring Hydrogen kan også lagres som et fast materiale ved brug af såkaldte metalhydrider. Hydrogen kan reagere med forskellige typer af metalpulver og derved lagres ved lavt tryk imellem metalgitterstrukturerne. Metalhydrider har potentialet til at nå en energitæthed tæt på benzin og lagringsmetoden giver samtidig en meget sikker lagring af hydrogen. I tabellen nedenfor er volumen af hydrogen ved forskellige lagringsmetoder sammenlignet med benzin. Energi indhold i 1 liter benzin 8,67 kwh Hydrogen lagringsteknologi Hydrogen volumen af 8,67 kwh Benzin volumen af 8,67 kwh Tryk (atmosfærisk) 3107 liter Tryk (200 bar) 13 liter Tryk (700 bar) 6,4 liter Flydende (-253 grader Celsius) 3,6 liter 1 liter Metanol 1,8 liter Metalhydrider (MgH 2) 2,3 liter Metalhydrider (Mg 2FeH 6) 1,7 liter Ovenstående data er med stor unøjagtighed, pga. forskellige datakilder, beregningsmetoder og lagringsteknologier. Alle hydrogen data er beregnet med nedre brandværdi for hydrogen på 2,79kW/h/m3 ved atm. tryk og stuetemperatur. 6
www.minihydrogen.com Brændselsceller omdannelse af hydrogen til energi Brændselsceller konverterer den kemiske energi et brændsels, som oftest hydrogen, til elektricitet og varme uden bevægelige dele eller støj. Det eneste emission ved reaktionen i brændselscellen er rent vand. En brændselscelle er altså ligesom et batteri, dog med den forskel, at den leverer strøm så længe et brændsels forsynes til den. Brændselsceller er en skalerbar teknologi hvilket gør den anvendelig i en lang række forskellige energi applikationer. En brændselscelle kan bl.a. forsyne en mobil telefon med strøm eller anvendes i biler eller store kraftvarmeværker. Basis princip Basis princippet i en brændselscelle er en kemisk reaktion mellem hydrogen og oxygen hvor der produceres elektricitet og varme. Billedet ved siden af viser princippet. Hydrogen og oxygen (luft) forsynes på hver side af en celle. Cellen består af en elektrolyt membran (PEM) med et katalyse lag på hver side. Når hydrogen forsynes til anode sidens katalyse lag splittes det i dets bestanddele, en proton og en elektron. Protonen vandrer gennem membranen over til katode siden. Samtidig vandrer elektronen uden om membranen om til katode siden fordi den ikke kan passere gennem membranen. Denne vandring af elektroner skaber elektricitet. På katode siden går protonen, elektronen og oxygen sammen og danner vand. PEM Brændselscelle Stakke princip Hver celle i brændselscellen leverer typisk 0,6 volt når en belastning påføres. Celle arealet leverer typisk 0,5 ampere pr. cm2. For at opnå den nødvendige effekt i en given applikation stakkes cellerne og derved øges spændings og strøm bidraget fra brændselscellen. Billedet ved siden af viser stakke princippet. Det er stakke princippet som gør brændselsceller til en skalerbar teknologi der kan anvendes i en lang række applikationer. Bemærk venligst at principperne varierer for hver type brændselscelle. Det ovenfor nævnte princip gælder for den mest anvendte brændselscelle, PEM typen. PEM brændselscelle stak 7
www.minihydrogen.com Brændselscelle typer Der findes en lang række forskellige brændselscelle typer, hver med deres egen driftstemperatur, brændselstype og teknologi. Den mest anvendte er PEM brændselscellen med en driftstemperatur på 50-100 grader Celsius. PEM anvender rent hydrogen som brændsel. En anden brændselscelle som er under fremmarch er DMFC brændselscellen som kan køre på metanol. SOFC brændselscellen har en høj driftstemperatur på omkring 650-1000 grader Celsius hvilket gør at den kan køre på an lang række forskellige brændsler. Tabellen nedenfor giver et overblik over de mest gængse brændselscelle typer og deres karakteristika. BC Type PEM AFC PAFC DMFC MCFC SOFC Proton Phosphoric Molten Navn Exchange Alkaline Direct Methanol Acid Carbonate membrane Applikationer Driftstemp. grader Celsius Reagerende Ion Køretøjer, mobile og kraftvarme applikationer Rumfarts applikationer Stor skala kombineret kraftvarme produktion Mobile applikationer fra mikro til lille skala Medium til stor skala kombineret kraftvarme produktion op til MW Solid Oxide Alle størrelser af kombineret kraftvarme produktion op til multi MW 50-100 50-200 Ca. 220 Ca. 70 Ca. 650 500-1000 H + OH - H + H + CO 3 2- Brændsel Hydrogen Hydrogen Hydrogen Metanol H 2, CO og/eller H 2, CO og/eller CH 4 CH 4 Celle Carbonbaserebaserebaserebaseret Carbon- Graphite- Stainless- Carbon-baseret komponent Ceramic Katalysator Platinum Platinum Platinum Platinum/ruthenium Nickel Perovskites Elektrisk effektivitet 40-50% 60% 37-42% 30-40% > 50% > 50% Celle leve time < 3000 timer < 5000 timer > 5000 timer < 3000 timer > 10000 timer > 10000 timer Anode reaktion H 2 2H + + 2e - H 2 + 2(OH) - H 2 2H + + 2H 2O + 2e - 2e - - - O 2- - - H2 + CO CH 3OH + H 2O 3 CO 2 + 6H + + 6e - H 2O + CO 2 + 2e - H 2 + O H 2O + 2e - 3/2 O 2 + 6H + + 6e - ½O 2 + CO 2 + ½O 2 + 2e - 3H 2O 2e - - - CO 3 O - - Katode reaktion ½O 2 + 2H + + 2e - H 2O ½ O 2 + H 2O + 2e - 2(OH) - ½O 2 + 2H + + 2e - H 2O Data med stor unøjagtighed som følge af forskellige data kilder, beregningsmetoder, teknologi, system konfiguration og kommercialiserings niveau. Brændselscelle fordele og ulemper Brændselsceller har en række fordele med store potentialer. Dog ligger der en række store forsknings og udviklingsmæssige udfordringer med at gøre teknologien kommerciel. Fordele Høj elektrisk og total effektivitet (højere end forbrændingsmotoren) Variable belastninger Lav emission (0 emission) Lav vedligeholdelse da der ikke er nogen bevægelige dele Støjsvag Skalerbar teknologi Kombineret strøm og varme produktion Ulemper Lav effektivitet på nuværende tidspunkt Store forsknings og udviklingsmæssige udfordringer Kort levetid Høj pris Få teknologi udbydere Manglende hydrogen infrastruktur Begrænset erfaringer med langtidsdrift 8
www.minihydrogen.com Hydrogen til transport ren, lydløs og futuristisk Hydrogen til transport vil blive det største marked for hydrogen og brændselsceller. I dag er transport primært baseret på olie, hvilket gør sektoren skrøbelig overfor stigende oliepriser som følge af faldende olieproduktion. Hydrogen produceret ud fra vedvarende energi anses for en løsning på disse fremtidige trusler. Meget fokus og mange ressourcer anvendes på hydrogen til transport globalt. De fleste bilfabrikanter har adskillige prototyper af hydrogen og brændselsceller biler kørende og adskillige hydrogen tankstationer åbnes årligt rundt om i verden. Californien har i dag over 20 hydrogen tankstationer og 200 planlægges åbnet inden år 2010. http://www.energyindependencenow.org/ Island har sat det ambitiøse mål at blive et 100% hydrogen samfund inden år 2050. I dag findes der en hydrogen tankstation i hovedstaden Reykjavik som forsyner bybusserne med hydrogen. http://www.newenergy.is Hydrogen til transport handler ikke kun om at imødekomme fremtidige alvorlig trusler med olieforsyningen og forurening. Hydrogen handler også om innovation og udviklingen af fremtidens biler som er endnu mere innovative og højteknologiske end dem vi har i dag. General Motors har med designet af brændselscelle bilen Hy-Wire (Vist på billederne) vist potentialerne for en kæmpe revolution af bilers design ved at bruge brændselsceller. Hy-Wire er en fuld elektronisk bil med et minimum af mekaniske dele. Hydrogen lagringstankene og brændselscellen er placeret i bunden af bilen, som er udformet som et tyndt skateboard. Det efterlader rigelig af plads oven på skateboardet til at designe en helt ny bil. Hy-Wire viser vejen frem til futuristiske biler, som vi alle har set dem i diverse science fiction film. Copyright billeder General Motors www.gm.com 9
www.minihydrogen.com Hydrogen til strøm og varme producer din egen energi Hydrogen energisystemet vil også gøre det muligt for alle at producere deres egen energi. Alle har adgang til vedvarende energi som let kan produceres på små decentrale anlæg f.eks. solcelle paneler på husets tag. Brændselsceller kan installeres i enhvert husstand, hvilket gør det muligt at producere både strøm og varme i hjemmet ud fra naturgas og i fremtiden hydrogen. Tanken om decentral energiproduktion går under navnet Power Pool. Billedet ved siden af viser princippet i Power Pool. Hver husstand har deres egen vedvarende energiproduktion og en brændselscelle installeret i huset. Når el-nettet mangler strøm fordi forbruget er højt kan hvert hus sælge strøm til de huse på nettet som mangler. Så tanken er at konstruere el-nettet på samme måde som Internettet, dvs. små enheder spredt ud overalt men koblet sammen i et stort netværk. Power Pool netværket vil også indeholde små decentrale hydrogen elektrolyse produktionsanlæg f.eks. installeret i garagen så bilen samtidig kan tankes med hydrogen. Power Pool kan også anvendes til at styre energiforbruget i vores husholdningsartikler. Dvs. at Power Pool kan slukke for køleskabet i nogle minutter midt på dagen hvis strømprisen er høj og strømefterspørgslen er høj. Power Pool vil ligesom Internettet betyde en mere sikker drift og energiforsyning. Går en produktionsenhed ned er der mange andre enheder som kan tage over. I dag fungerer energisystemet sådan, at hvis for mange fejl opstår på samme tid kan hele nettet bryde sammen med adskillige timers strømafbrydelse til følge. Store strømafbrydelser bliver mere og mere hyppig i takt med at el-nettet bliver stadig større og mere komplekst og når sin maksimale belastning. Dette har vi ikke rigtig set følgerne af i Danmark endnu, men strømudfald er bl.a. almindelige i Californien, hvor der er underskud af strømproduktion. Power Pool kan også give mere konkurrence på energimarkedet fordi der vil opstå flere udbydere af energi, som alle vil konkurrere om at levere energi billigst muligt. Der eksisterer sågar ideer i Power Pool regi om at bruge brændselscelle bilerne som små kraftværker. Når bilen parkeres i garagen eller P-huset kobler den på el-nettet. Hvis der er behov for strøm forsyner bilens brændselcelle el-nettet med strøm. Så det kan være det faktisk bliver muligt at få penge for at parkere sin bil i byen. Læs mere på om det såkaldte Vehicle to Grid (køretøj på el-nettet): http://www.udel.edu/v2g/ 10
www.minihydrogen.com Hydrogen til mobil energi uudtømmelig mobil energi Fremtiden indenfor elektroniske produkter er mobilitet. Det er i dag muligt at bruge video mobiltelefoner til at afholde konferencer med kollegaer på den anden siden af jorden. Men udviklingen får ligeledes kravet om mere mobil energi til at stige. Så for at fortsætte udviklingen mod mobilitet, bliver teknologiskifte til brændselsceller mere og mere relevant. De bedste batteriteknologier når deres teoretiske begrænsninger for deres energikapacitet, mens nye teknologier som brændselsceller endnu kun har vist ganske lidt af deres store potentialer. Ved at bruge en DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) også kaldes en metanolbrændselscelle, vil energikapaciteten i et batteri kunne forøges til 10 gange større end kapaciteten på de bedste batterier. Om få år vil DMFC brændselsceller til mobiltelefoner, bærbare computere og andet transportabel udstyr blive lige så almindelige som de batterier vi anvender i dag. Brændselsceller har generelt et rigtig godt potentiale for at erstatte batterier i en række produkter, da energidensiteten er høj i hydrogen og metanol. Brændselsceller har også den fordel, at de bliver ved med at producere strøm, lige så længe der tilføres hydrogen/metanol. Derfor vil opladning af en mobiltelefon ikke tage mere end nogle få sekunder. På billedet herunder kan et område for anvendelse af metanolbrændselsceller ses. Der sker i disse år en kraftig forskning og udvikling for at få de nye produkter baseret på brændselsceller ud på markedet i de produkter der i dag bruger almindelige batterier. Der vil også være nogle tidlige markeder hvor brændselsceller hurtigt vil overtage fra batterier. Det gælder fx batterier på øde steder, hvor det er dyrt og besværligt at oplade dem, eller steder hvor nuværende batterier ikke har lang nok levetid. Dette gælder bl.a. for markedet for UPS anlæg, der typisk er tilkoblet computere, der ikke må gå ned hvis strømmen skulle forsvinde. Det tyder i øjeblikket på, at de små markeder indenfor mobil strøm vil blive de første markeder hvor man vil se brændselsceller i masseproduktion, og det forventes at denne udvikling til trække udvikling af brændselsceller til transport og strømproduktion hos den enkelte forbruger med i gang. 11