Sådan fungerer brændselsceller: Elektrokemisk omdannelse og emissionsfri drift

Kerne elektrokemisk proces: oxidation af brint og reduktion af ilt

Brændselsceller producerer elektricitet ved hjælp af en kemisk reaktion mellem brint og ilt, og vigtigt, de gør dette uden at brænde noget. Når brint når anodesiden, bliver det nedbrudt til protoner og elektroner takket være en katalysator, der hovedsageligt består af platin. Elektronerne bevæger sig gennem ledninger uden for cellen og danner den elektriske strøm, som vi faktisk kan bruge til strømforsyning. I mellemtiden glider protonerne igennem noget, der kaldes en protonudvekslingsmembran (eller PEM for forkortelse), over til den anden side af cellen. Når de når katoden, møder disse protoner iltmolekyler og elektronerne, der er vendt tilbage fra kredsløbet. Tilsammen danner de udelukkende rent vand som bivirkning. Hele denne proces fungerer så effektivt, fordi den ikke er afhængig af varmeoverførsel som traditionelle motorer. Som et resultat omdanner PEM-brændselsceller typisk omkring halvdelen til to tredjedele af deres inputenergi direkte til elektricitet. Det er cirka dobbelt så meget som de fleste benzinmotorerede køretøjer klarer, da deres ydelse er begrænset af grundlæggende termodynamiske principper, kendt som Carnot-cyklussen.

Nøglefordeler inkluderer:

• Næsten lydlos drift uden bevægelige dele ud over hjælpesystemer
• Kontinuerlig effektudbytte så længe brændstof og oxidant er tilført
• Modulær skalerbarhed – fra kilowatt-portable enheder til multi-megawatt-stationære anlæg

I modsætning til batterier er brændselsceller energikonvertere, ikke lagerenheder – hvilket muliggør vedvarende drift uden opladningspauser.

Hvorfor brændselsceller kun udleder vand — ingen CO₂, NO₂ eller partikler

Brændselsceller udleder intet, der er reguleret, da de fungerer gennem elektrokemiske reaktioner i stedet for at brænde noget. Brint indeholder simpelthen ikke kulstof, hvilket betyder, at der under drift ikke kan dannes CO2. Desuden foregår reaktionerne ved højst omkring 100 grader Celsius, langt fra de 1.300 grader, hvor nitrogenoxider begynder at dannes. Der er heller ingen flammer involveret, så farvel til sod, aske og de irriterende uforbrændte kooler, der forurener luften. Hvad kommer der så ud? Stort set kun rent vanddamp, som nogle gange opsamles og genbruges i industrielle processer. Derfor fungerer disse systemer så godt indendørs, i tætbefolkede byområder eller overalt, hvor man stiller krav til luftkvalitet. De passer perfekt til EPA's anbefalinger, lever op til europæiske regler for ren luft og opfylder også Verdenssundhedsorganisationens retningslinjer.

Anvendelse af brændselsceller i sektorer med svær reduktion af udledninger

Tung transport: Lastbiler, busser, tog og skibsfart

Når det drejer sig om tungt godstransport, løser brændselsceller nogle af de store udfordringer, som batterier ikke kan klare tilstrækkeligt godt. Tænk på energilagringskapacitet, hvor lang tid det tager at genopfylde dem, og hvordan de påvirker køretøjets vægt. Biler med brintmotorer er lige nu ved at skabe bølger. Disse store lastbiler kan køre mellem 500 og 800 kilometer på én tank, og genopfyldning tager mindre end tyve minutter – helt i par med traditionelle dieselmotorer. Det slår langt bedre end at bære rundt på de massive batteripakker, som ville tilføje omkring tre til fire tons ekstra vægt. Vi ser allerede, at denne teknologi breder sig globalt med over fem tusind brintbusser i drift i lande som Kina, dele af Europa og endda Californien. Anvendelserne vokser ud over blot busser også. Tag for eksempel Tysklands Coradia iLint-tog eller se på Norges arbejde med deres HYDROGEN-færgeprojekt. Havne står især til gevinst, da de fleste containeroperationer kraftigt afhænger af dieseludstyr, der udleder alt for meget kvælstofoxid og partikler i luften. Omstilling til brændselsceller betyder nul udledning lige der, hvor det sker, hvilket hjælper havne myndigheder med at opfylde de krævende mål fra Den Internationale Marne Organisation for reduktion af kuldioxidudledning i 2030 og 2050.

Industriel Strøm- og Reservestrømsystemer: Erstatning af Dieselgeneratorer

Brændselsceller leverer ren og pålidelig strøm til kritisk infrastruktur som datacentre, hospitaler og fabrikker, hvor dieseldrevne generatorer traditionelt har fungeret som nødstrømskilder. I sammenligning med diesel-alternativer udleder disse systemer ikke skadelige nitrogenoxider, svovldioxid eller fine partikler indendørs eller i nærheden af sårbare operationer. Deres konstruktion gør det muligt at skalere dem nemt fra små installationer på 50 kilowatt til store anlæg på op til 3 megawatt. Driftstiden afhænger hovedsageligt af den tilgængelige hydrogenforsyning i stedet for bekymring for batterier, der slidner over tid. Når de kører på trykhøjstående brintank, kan de fleste enheder klare fuld belastning i over tre dage i træk, hvilket reducerer brandfare i sammenligning med lagring af store mængder dieselbrændstof på stedet. Ifølge US Department of Energy steg antallet af virksomheder, der anvender brændselscelle-bagudsystemer, med omkring 40 procent sidste år. Denne vækst er forståelig set i lyset af deres ekstremt høj pålidelighed med mere end 99,999 procent driftstid samt det faktum, at mange selskaber i dag prioriterer miljømæssige, sociale og styringsmæssige mål i deres forretningsbeslutninger.

Aktivering af brændselscelleøkosystemet: Infrastruktur, sikkerhed og politik

Hydrogenopbevaring, genopfylningsinfrastruktur og driftssikkerhedsprotokoller

At få brændselsceller implementeret i stor skala afhænger stort set af at have sikre metoder til at levere brint, som ikke er for dyr. Der findes grundlæggende tre hovedmetoder til lagring af brint: trykbeholdere ved omkring 350 til 700 bar, superafkølet væske opbevaret ved minus 253 grader Celsius og nyere løsninger baseret på metalhydrider eller specielle adsorberende materialer. Hver metode fungerer bedre i forskellige situationer afhængigt af formålet. Set med tal fra 2023 er der over 160 offentlige brinttankstationer verden over, primært placeret i områder som Californien, Japan, Sydkorea og dele af Tyskland. Men når det gælder udvidelse af infrastrukturen til større køretøjer som lastbiler og busser, bliver det hurtigt kompliceret. Opførelse af én almindelig station koster typisk mellem to og tre millioner dollar, eksklusive de administrative omkostninger til tilladelser samt tilslutning til det eksisterende elnet, hvilket tilføjer en yderligere kompliceret dimension, som ingen ønsker at beskæftige sig med.

Sikkerhed håndteres gennem internationalt harmoniserede ingeniørstandarder – især ISO/TS 15916, SAE J2601 og European Hydrogen Safety Handbook. Disse kræver:

• Kompositbrændstoftanks certificeret til at modstå over 10.000 trykcyklusser samt ballistisk påvirkning
• Påfyldningsdyser med automatisk lækdetektion, termisk afbrydelse og trykavledningsanordninger
• Ventilation i indelukkede faciliteter designet til at holde brintkoncentrationer under den nedre 1 % grænse for brandbarhed

Reelle valideringer kommer fra initiativer som Europa's H2 Mobility-program, som standardiserede protokoller på tværs af 29 stationer – og dermed demonstrerede interoperabilitet, sikkerhed og bruger tillid, som er afgørende for bred adoption.

Brændselsceller på vejen mod klimaneutralitet

Brændselsceller skiller sig ud som nøgleaktører i opbygningen af kuldioxidneutrale økonomier, især i de tilfælde, hvor traditionel elektrificering ikke er tilstrækkelig. Disse systemer omdanner grønt brint produceret fra vedvarende energikilder via elektrolyse til elektricitet, hvor den eneste affaldsproduktion er vanddamp. Dette betyder ingen CO₂-udslip, ingen nitrogenoxider og slet ingen skadelige partikler udledt til luften. Det, der gør dem særligt interessante, er, hvordan de supplerer vedvarende energikilder. Når der produceres for meget sol- eller vindenergi, kan i fremtiden i stedet for spilde den overskydende energi lagres som brint. Senere, når efterspørgslen stiger, kan den lagrede brint nemt konverteres tilbage til elektricitet. Denne tilgang hjælper med at gøre vores strømforsyningssystemer mere robuste, uden at skulle afhænge af de traditionelle fossile kraftværker, som alle ønsker at fases ud.

Verden investerer rigtigt i brint som en nøgelspiller: ifølge International Energy Agency er der blevet lovet omkring 100 milliarder dollars til brintinfrastruktur inden 2030. Priserne på brændselsceller er også faldet markant, cirka 60 % siden 2015, takket være større produktionsmængder og bedre katalysematerialer. Også regeringspolitikker begynder nu at indhente. Tag for eksempel den seneste amerikanske Inflation Reduction Act, som tilbyder en skattelettelse på 3 dollar per kilogram for rent brint, samt Den Europæiske Unions opdaterede vedrørende vedvarende energi. Disse ændringer betyder, at brændselsceller ikke længere er eksperimentelle, men faktisk bliver en del af almindelig infrastruktur. Set mod fremtiden anslår man, at disse systemer kunne dække omkring 15 % af energibehovene i sektorer, hvor det er særligt vanskeligt at reducere udledning. Det gør dem ganske vigtige, hvis vi skal nå vores mål om netto nul-udledning, selv om der stadig er arbejde at gøre, inden de bliver almindelige.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er en brændselscelle?
En brændselscelle er en enhed, der omdanner kemisk energi fra brint til elektrisk energi gennem en elektrokemisk reaktion med ilt.

Producerer brændselsceller emissioner?
Brændselsceller producerer hovedsageligt vanddamp som biprodukt og udleder ikke regulerede forurenende stoffer såsom CO2, NOx eller partikler.

Kan brændselsceller anvendes i transport?
Ja, brændselsceller anvendes i stigende grad i transportsektorer med tungt lastværk, herunder lastbiler, busser, tog og skibsfart.

Hvad er sikkerhedsforanstaltningerne ved anvendelse af brint?
Sikkerhedsforanstaltninger omfatter certificerede brinttanker, utæthedsdetektionssystemer og korrekt ventilation for at holde brintkoncentrationer på et sikkert niveau.