Hvordan Brenselceller Virker: Elektrokjemisk Konvertering og Nullutslipp Drift

Kjerne elektrokjemisk prosess: hydrogenoksidasjon og oksygenreduksjon

Brenselceller lager elektrisitet ved hjelp av en kjemisk reaksjon mellom hydrogen og oksygen, og viktigst av alt, gjør de dette uten å brenne noe. Når hydrogen når anodesiden, spaltes det i protoner og elektroner takket være en katalysator som hovedsakelig består av platina. Elektronene beveger seg langs ledninger utenfor cellen og skaper den elektriske strømmen vi faktisk kan bruke til strømforsyning. I mellomtiden glir protonene gjennom noe som kalles en protonbyttmembran (forkortet PEM) over til den andre siden av cellen. Når de kommer fram til katoden, møter disse protonene oksygenmolekyler og elektronene som har reist tilbake fra kretsen. Sammen danner de kun rent vann som biprodukt. Hele denne prosessen fungerer så effektivt fordi den ikke er avhengig av varmeoverføring som tradisjonelle motorer er. Som et resultat konverterer PEM-brenselceller typisk omlag halvparten til to tredjedeler av sin inngangsenergi direkte til elektrisitet. Det er omtrent dobbelt så mye som de fleste bensindrevne kjøretøy klarer, ettersom ytelsen deres er begrenset av grunnleggende termodynamiske prinsipper kjent som Carnot-syklusen.

Hovedfordeler inkluderer:

• Nær-still drift uten bevegelige deler bortsett fra hjelpesystemer
• Kontinuerlig effektutgang så lenge drivstoff og oksidant er tilgjengelig
• Modulær skalerbarhet – fra kilowatt-portable enheter til multi-megawatt-stasjonære anlegg

I motsetning til batterier er brenselceller energiomformere, ikke lagringsenheter – noe som muliggjør vedvarende drift uten ladedowntime

Hvorfor brenselceller utslipper bare vann – ingen CO₂, NO₂ eller partikler

Brenselcellemer utslipper ikke noe som er regulert, siden de fungerer gjennom elektrokjemiske reaksjoner i stedet for ved forbrenning. Hydrogen inneholder rett og slett ikke noe karbon, noe som betyr at det ikke kan dannes CO2 under drift. Dessuten skjer reaksjonene ved maksimalt rundt 100 grader Celsius, langt unna de 1 300 grader hvor nitrogenoksider begynner å dannes. Ingen flammer er involvert heller, så farvel til sot, aske og de irriterende uhøy forbrente hydrokarboner som forurenser luften. Hva kommer ut da? I det vesentlige bare rent vanndamp, som noen ganger blir samlet og gjenbrukt i industrielle prosesser. Derfor fungerer disse systemer så godt innendørs, i tettbygde byområder, eller hvor enn det er sensitivt overfor luftkvalitetskrav. De passer godt inn i det EPA anbefaler, samsvarer med Europas regler for ren luft og oppfyller også retningslinjene fra Verdens helseorganisasjon.

Anvendelser av brenselceller i sektorer som er vanskelige å avvikle

Tung transport: Lastebiler, busser, tog og maritime fartøyer

Når det gjelder tung transport, løser brenselceller noen store utfordringer som batterier rett og slett ikke takler godt nok. Tenk på energilagringskapasitet, hvor lang tid det tar å fylle dem på nytt, og hvordan de påvirker kjøretøyvekten. Hydrogendrevne lastebiler er for tiden i stor oppgang. Disse store vogntogene kan kjøre fra 500 til 800 kilometer på en enkelt tank, og påfylling tar mindre enn tjue minutter – helt tilsvarende tradisjonelle dieselmotorer. Det slår med god margin på å måtte frakte enorme batteripakker som legger til ekstra vekt på omlag tre til fire tonn. Vi ser allerede at denne teknologien breder seg globalt, med over fem tusen hydrogenbusser i drift i Kina, deler av Europa og til og med California. Anvendelsene utvides nå utover bare busser. Ta for eksempel Tysklands Coradia iLint-tog, eller se på Norges arbeid med HYDROGEN-førgeprosjektet. Havner står spesielt til å vinne mye, ettersom de fleste containeroperasjoner er sterkt avhengige av dieseldrevet utstyr som slipper ut altfor mye nitrogenoksider og partikler i luften. Å bytte til brenselceller betyr nullutslipp akkurat der de skjer, noe som hjelper havnemyndigheter med å nå de strenge målene fra Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) for redusert karbonutslipp innen 2030 og 2050.

Industriell Strøm og Reservestrømsystemer: Erstatter Dieselgeneratorer

Brenselceller gir ren og pålitelig kraft til kritisk infrastruktur som datasentre, sykehus og fabrikker, der dieseldrevne generatorer tradisjonelt har fungert som reservekraftkilder. I sammenligning med diesel-alternativer slipper disse systemene ikke ut skadelige nitrogenoksider, svoveldioksid eller fine partikler inne i bygninger eller i nærheten av sårbare driftsområder. Den måten de er bygget på gjør at de enkelt kan skaleres fra små installasjoner på 50 kilowatt helt opp til massive anlegg på opptil 3 megawatt. Driftstiden avhenger hovedsakelig av tilgjengelig hydrogenforsyning, i stedet for bekymring for at batterier slites med tiden. Når de drives av komprimerte hydrogentanker, kan de fleste enheter håndtere full belastning i over tre dager på rad, noe som reduserer brannrisiko i forhold til lagring av store mengder dieselbrensel på stedet. Ifølge US Department of Energy økte antallet selskaper som innførte brenselcelle-reservekraft med omtrent 40 prosent i fjor. Denne veksten er forståelig når man ser på deres ekstraordinære pålitelighet med oppetid over 99,999 prosent, samt det faktum at mange selskaper nå prioriterer miljømessige, sosiale og styringsmessige mål i sine forretningsbeslutninger.

Muliggjøring av brenselcelleøkosystemet: infrastruktur, sikkerhet og politikk

Hydrogenlagring, påfyllingsinfrastruktur og driftssikkerhetsprotokoller

Å få installert brenselceller i stor skala avhenger virkelig av trygge måter å levere hydrogen på som ikke koster over ørene. Det finnes grunnleggende tre hovedmetoder for lagring av hydrogen: komprimert gass i tankene ved rundt 350 til 700 bar trykk, superkald væske lagret ved minus 253 grader celsius, og nyere alternativer som involverer metallhydrider eller spesielle adsorberende materialer. Hver metode fungerer bedre i ulike situasjoner avhengig av hva som skal gjøres. Ser vi på tallene når vi går inn i 2023, finnes det over 160 offentlige hydrogenstasjoner over hele verden, hovedsakelig plassert i områder som California, Japan, Sør-Korea og deler av Tyskland. Men når det gjelder å utvide infrastrukturen for større kjøretøy som lastebiler og busser, blir ting raskt kompliserte. Å bygge en stasjon av moderat størrelse koster typisk mellom to og tre millioner dollar, uten å regne med alle papirarbeidet knyttet til tillatelser samt tilkobling til eksisterende strømnett, noe som legger på ytterligere kompleksitet som ingen ønsker å håndtere.

Sikkerhet behandles gjennom internasjonalt harmoniserte tekniske standarder – spesielt ISO/TS 15916, SAE J2601 og European Hydrogen Safety Handbook. Disse pålegger:

• Kompositttanker for hydrogen godkjent til å tåle over 10 000 trykksykluser og ballistisk påvirkning
• Tankingmunstykker med automatisk lekkasjedeteksjon, termisk avstengning og trykkavlastningsanordninger
• Ventilasjon i lukkede anlegg utformet for å holde hydrogengasskonsentrasjonen under den nedre eksplosjonsgrensen på 1 %

Reelle resultater kommer fra initiativer som Europas H2 Mobility-program, som standardiserte protokoller på tvers av 29 stasjoner – noe som demonstrerer samvirke, sikkerhet og brukertilpasning som er nødvendig for bred innføring.

Brenselceller på veien mot karbonnøytralitet

Brenselceller skiller seg ut som nøkkelspillere i jakten på karbonnøytrale økonomier, spesielt der tradisjonell elektrifisering rett og slett ikke holder mål. Disse systemene tar grønn hydrogen produsert fra fornybare kilder via elektrolyse og omdanner det til elektrisitet, og produserer kun vanndamp. Dette betyr ingen CO₂-utslipp, ingen nitrogenoksider og absolutt ingen skadelige partikler som slipper ut i luften. Det som gjør dem særlig interessante, er hvordan de fungerer sammen med fornybare energikilder. Når det genereres for mye sol- eller vindkraft, kan vi i stedet for å kaste denne overskuddsenergien lagre den som hydrogen. Senere, når etterspørselen øker, konverterer vi ganske enkelt det lagrede hydrogenet tilbake til elektrisitet. Denne tilnærmingen bidrar til å gjøre strømnettet mer robust uten å måtte ty til de gamle fossile reservestasjoner som alle ønsker å fjerne.

Verden investerer virkelig penger i hydrogen som en nøkkelaktør: ifølge Internasjonal energibyrået er det lovet rundt 100 milliarder dollar til hydrogeninfrastruktur innen 2030. Prisene på brenselceller har også falt kraftig, med omtrent 60 % siden 2015, takket være større produksionsløp og bedre katalysematerialer. Også statlige politikker begynner å ta igjen. Ta for eksempel den nylige amerikanske Inflasjonsreduksjonsloven som tilbyder et skattefradrag på 3 dollar per kilogram for rent hydrogen, i tillegg til Den europeiske unions oppdaterte direktive om fornybar energi. Disse endringene betyr at brenselceller ikke lenger er eksperimentelle, men faktisk begynner å bli en del av vanlig infrastruktur. Framover går anslagene på at disse systemer kan dekke omtrent 15 % av energibehovet i sektorer der det er spesielt vanskelig å kutte utslipp. Det gjør dem ganske viktige hvis vi skal nå netto null-målene, selv om det fremdeles gjenstår arbeid før de blir utbredt.

Ofte stilte spørsmål

Hva er en brenselcelle?
En brenselcelle er en enhet som omformer kjemisk energi fra hydrogen til elektrisk energi gjennom en elektrokjemisk reaksjon med oksygen.

Produserer brenselceller utslipp?
Brenselceller produserer hovedsakelig vanndamp som bivirkning og slipper ikke ut regulerte forurensninger som CO2, NOx eller partikler.

Kan brenselceller brukes i transport?
Ja, brenselceller brukes økende i tung transportsektorer, inkludert lastebiler, busser, tog og skipsfart.

Hva er sikkerhetstiltakene for bruk av hydrogen?
Sikkerhetstiltak inkluderer sertifiserte hydrogenbeholdere, lekkdeteksjonssystemer og riktig ventilasjon for å holde hydrogenkonsentrasjonene sikker.