Hur bränsleceller fungerar: Elektrokemisk omvandling och drift utan utsläpp

Kärnelektrokemisk process: oxidation av väte och reduktion av syre

Bränsleceller skapar el genom en kemisk reaktion mellan väte och syre, och viktigt, de gör detta utan att något förbränns. När väte når anodsidan bryts det ner i protoner och elektroner tack vare en katalysator som främst består av platina. Elektronerna rör sig längs ledningar utanför cellen och skapar den elektriska ström som vi faktiskt kan använda som energi. Under tiden glider protonerna genom något som kallas en protonutbytesmembran (eller PEM för att förkorta) till den andra sidan av cellen. När de kommer fram till katoden möts dessa protoner med syremolekyler och elektronerna som har återvänt via kretsen. Tillsammans bildar de endast rent vatten som biprodukt. Hela denna process fungerar så effektivt eftersom den inte förlitar sig på värmeöverföring som traditionella motorer gör. Därför omvandlar PEM-bränsleceller vanligtvis ungefär hälften till två tredjedelar av sin tillförda energi direkt till el. Det är cirka dubbelt så mycket som de flesta bensinfordon presterer eftersom deras prestand begränsas av grundläggande termodynamiska principer kända som Carnotcykeln.

Huvudsakliga fördelar inkluderar:

• Nära tyst drift utan rörliga delar utöver hjälpsystem
• Kontinuerlig effektutgång så länge bränsle och oxidant tillförs
• Modulär skalbarhet – från kilowattstora portabla enheter till flera megawatt stora fasta anläggningar

Till skillnad från batterier är bränsleceller energiomvandlare, inte lagringsenheter – vilket möjliggör uthållig drift utan omladdningsuppehåll.

Varför bränsleceller endast avger vatten – inget CO₂, NO₂ eller partiklar

Bränsleceller släpper inte ut något som är reglerat eftersom de fungerar genom elektrokemiska reaktioner istället för förbränning. Väte innehåller helt enkelt inte kol, vilket innebär att det inte finns något sätt för koldioxid att bildas under drift. Dessutom sker reaktionerna vid högst cirka 100 grader Celsius, långt ifrån de 1 300 grader där kväveoxider börjar bildas. Inga lågor är heller involverade, så borta är sot, ask och de irriterande opåbrända kolväten som förorenar luften. Vad kommer ut då? I princip bara rent vattenånga, ibland samlad och återanvänd i industriella processer. Därför fungerar dessa system så bra inomhus, i tätbefolkade stadsområden eller var som helst där man har känsliga krav på luftkvalitet. De passar perfekt med vad EPA rekommenderar, överensstämmer med Europas regler för ren luft och uppfyller även världshälsoorganisations riktlinjer.

Tillämpningar av bränsleceller inom svåra att avveckla sektorer

Tung trafik: Lastbilar, bussar, tåg och fartyg

När det gäller tunga transporter löser bränsleceller verkligen vissa stora problem som batterier inte klarar tillräckligt bra. Tänk på energilagringskapacitet, hur lång tid det tar att fylla på dem och hur de påverkar fordonets vikt. För närvarande skapar väteeldrivna lastbilar stor uppmärksamhet. Dessa stora lastbilar kan köra mellan 500 och 800 kilometer på en enda tankning, och påfyllning tar mindre än tjugo minuter – helt i nivå med vad vi ser hos traditionella dieselmotorer. Det slår batteridrift med hästlängder, särskilt när det gäller de massiva batteripaket som skulle lägga på ytterligare tre till fyra ton i vikt. Vi ser redan hur denna teknik sprider sig världen över, med över femtusen vätebussar i drift i exempelvis Kina, delar av Europa och även Kalifornien. Tillämpningarna växer snabbt bortom bara bussar. Ta till exempel Tysklands Coradia iLint-tåg, eller se på Norges insatser med deras HYDROGEN-färjeprojekt. Framför allt hamnar har mycket att vinna, eftersom de flesta containeroperationer fortfarande är kraftigt beroende av dieseldrivna maskiner som släpper ut alldeles för mycket kväveoxid och partiklar i luften. Genom att byta till bränsleceller uppnås nollutsläpp exakt där de sker, vilket hjälper hamnmyndigheter att uppfylla de stränga mål från Internationella sjöfartsorganisationen för att minska koldioxidutsläpp till 2030 och 2050.

Industriell kraft- och reservsystem: Ersättning av dieselgeneratorer

Bränsleceller ger ren och tillförlitlig kraft för kritisk infrastruktur som datacenter, sjukhus och fabriker där dieseldrivna generatorer traditionellt har fungerat som reservkraftskällor. Jämfört med diesellösningar släpper dessa system inte ut skadliga kväveoxider, svaveldioxid eller små partiklar inom byggnader eller i närheten av känsliga operationer. Deras konstruktion gör att de enkelt kan skalas från små installationer på 50 kilowatt upp till stora anläggningar på 3 megawatt. Drifttiden beror främst på den tillgängliga vätetillförseln snarare än oroa sig för att batterier försämras över tid. När de drivs med komprimerade vätetankar kan de flesta enheter hantera full belastning i mer än tre dagar i sträck, vilket minskar brandrisker jämfört med lagring av stora mängder dieselbränsle på plats. Enligt US Department of Energy ökade företag som antog bränslecellsreservkraft med cirka 40 procent förra året. Tillväxten är förståelig med tanke på deras otroliga tillförlitlighet med driftstid över 99,999 procent samt att många företag numera prioriterar miljö-, sociala och styrningsmål i sina affärsbeslut.

Aktivera bränslecellekosystemet: infrastruktur, säkerhet och policy

Väteförvaring, tankningsinfrastruktur och driftssäkerhetsprotokoll

Att få bränsleceller spridda i större skala beror egentligen på att ha säkra sätt att leverera vätgas utan att det blir för dyrt. Det finns i princip tre huvudsakliga sätt att lagra vätgas: trycklagerade gastankar vid cirka 350 till 700 bar, superkallt flytande vätgas lagrat vid minus 253 grader Celsius, samt nyare alternativ som involverar metallhydrier eller särskilda adsorberande material. Varje metod fungerar bättre i olika situationer beroende på vad som behöver göras. Om man tittar på siffrorna när vi går in i 2023, finns det över 160 publika vätgasstationer över hela världen, främst i områden som Kalifornien, Japan, Sydkorea och delar av Tyskland. Men när det gäller att expandera denna infrastruktur för större fordon som lastbilar och bussar, blir det snabbt komplicerat. Att bygga en station av måttlig storlek kostar normalt mellan två och tre miljoner dollar, exklusive alla handlingar som krävs för tillstånd samt anslutning till befintliga elnät, vilket lägger på ytterligare komplikationer som ingen vill hantera.

Säkerhet hanteras genom internationellt harmoniserade ingenjörsstandarder – särskilt ISO/TS 15916, SAE J2601 och European Hydrogen Safety Handbook. Dessa kräver:

• Komposittankar för vätgas som är certifierade att tåla över 10 000 tryckcykler och ballistisk påverkan
• Tankmunnstycken med automatisk läckagedetektering, termisk avstängning och tryckavlastningsanordningar
• Ventilation i inneslutna lokaler utformad för att hålla vätgaskoncentrationer under den nedre brännbarhetsgränsen på 1 %

Verklig validering kommer från initiativ som Europas H2 Mobility-program, som standardiserat protokoll över 29 stationer – vilket visar interoperabilitet, säkerhet och användarförtroende som är nödvändigt för bred tillämpning.

Bränsleceller på vägen mot koldioxidneutralitet

Bränsleceller sticker ut som nyckelspelare i jakten mot koldioxidneutrala ekonomier, särskilt i tillämpningar där traditionell elektrifiering inte räcker till. Dessa system omvandlar grönt vätgas, framställt från förnybara energikällor via elektrolys, till el och producerar endast vattenånga. Det innebär inga koldioxidutsläpp, inga kväveoxider och definitivt inga skadliga partiklar som släpps ut i luften. Vad som gör dem särskilt intressanta är hur de kompletterar förnybar energi. När till exempel sol- eller vindkraft producerar för mycket energi, kan den överskottet istället för att slösas bort lagras som vätgas. Senare, när efterfrågan ökar, kan det lagrade vätgas enkelt omvandlas tillbaka till el. Denna lösning bidrar till mer motståndskraftiga elnät utan att behöva förlita sig på de gamla fossilbaserade kraftverk som alla vill fasat ut.

Världen satsar på riktigt med pengar på vätgas som en nyckelspelare: enligt Internationella energiorganet har cirka 100 miljarder dollar lovat satsas på vätgasinfrastruktur till 2030. Priserna på bränsleceller har också sjunkit kraftigt, med ungefär 60 procent sedan 2015 tack vare större produktionsvolymer och bättre katalysatormaterial. Även statliga politiker börjar nu komma ikapp. Ta till exempel den senaste amerikanska Inflation Reduction Act som erbjuder ett skatteavdrag på 3 dollar per kilogram för ren vätgas, samt Europeiska unionens uppdaterade direktiv om förnybar energi. Dessa förändringar innebär att bränsleceller inte längre bara är experimentella utan faktiskt börjar bli en del av vanlig infrastruktur. Framåtblickande pekar uppskattningar på att dessa system kan täcka ungefär 15 procent av energibehoven inom sektorer där det är särskilt svårt att minska utsläppen. Det gör dem ganska viktiga om vi ska nå nettonollmålen, även om det fortfarande återstår arbete innan de blir allmänt spridda.

Vanliga frågor

Vad är en bränslecell?
En bränslecell är en anordning som omvandlar kemisk energi från vätgas till elektrisk energi genom en elektrokemisk reaktion med syre.

Producerar bränsleceller utsläpp?
Bränsleceller producerar främst vattenånga som biprodukt och släpper inte ut reglerade föroreningar såsom CO2, NOx eller partiklar.

Kan bränsleceller användas inom transport?
Ja, bränsleceller används alltmer inom tunga transportsystem, inklusive lastbilar, bussar, tåg och fartyg.

Vilka säkerhetsåtgärder krävs vid användning av vätgas?
Säkerhetsåtgärder inkluderar certifierade vätgastankar, läckagedetekteringssystem och tillräcklig ventilation för att hålla vätgaskoncentrationen på säkra nivåer.