Brint og alternative energikilder Førstehånds ingeniørekspertise

Generelt er en elektrolysator en anordning til adskillelse, nedbrydning og transformering af et materiale eller molekyle (redoxreaktion) ved hjælp af elektrisk energi. I en vandelektrolysator omdannes vandmolekyler (H₂O) til brintmolekyler (H₂) og iltmolekyler (O₂).

Selve reaktionen foregår i elektrokemiske celler ved spændinger på ca. 1,4 V. Af praktiske grunde er en række af disse celler (elektrisk serieforbindelse) stablet op i stakke. Alt det perifere udstyr omkring de elektromekaniske celler falder ind under betegnelsen "Balance of Plant".

Balance of Plant (BOP) er et begreb, der normalt bruges i forbindelse med energiteknologi. Det henviser til alle støttekomponenter og hjælpesystemer, der kræves til energiomsætning – med undtagelse af selve produktions- eller transformationsenheden.

For elektrolysører omfatter dette energistyring (transformatorer, invertere, strømstyringer osv.), væske- og gasstyring (vandkonditionering, adskillelse af væske- og gasfaser, gastørring, gaskompression) og termisk styring (kølesystemer til kraftelektronik, stakke og kondenstørring).

En brændselscelle består af to elektroder – anoden (brintsiden) og katoden (luftsiden). De to elektroder er adskilt af en elektrolyt. I PEM-brændselscellen er dette en semipermeabel membran, der kun er permeabel for protoner.

Anoden fødes med brint. Derefter opdeles den i protoner og elektroner ved hjælp af en katalysator (normalt platin). Derefter migrerer protonerne til katoden gennem membranen. Elektronerne strømmer til katoden via en elektrisk forbruger, og der tilføres elektrisk energi. Ved katoden kombineres protoner og elektroder med ilt fra den omgivende luft og danner vand.

Begrebet "elektromekanisk celle" er en paraplybetegnelse for forskellige slags celler såsom elektrolyseceller, akkumulatorceller, battericeller eller galvaniske celler. Disse slags celler kan nogle gange være reversible, såsom akkumulatorceller. Disse kan oplades og aflades – det betyder, at de kan omdanne elektrisk energi til kemisk energi og frigive den igen som elektrisk energi. Derudover kan nogle slags elektrolyseceller fungere som brændselsceller. Det betyder, at omdannelsen af brint og ilt til vand frigiver elektrisk energi og varme.

Elektrolyseceller og brændselsceller består af bipolære plader, elektroder og, afhængigt af teknologien, gasdiffusionslag (GDL) samt membraner. Når der bruges "proton / anionbyttermembraner" (PEM / AEM), forbindes disse ofte direkte med elektroderne og omtales som en "membranbyttersamling" (MEA).

Membranelektrodesamlingen (MEA) kan fortolkes på mere end én måde. I nogle tilfælde skal dette kun forstås som membranen belagt med katalysatorlagene (på den ene side for katodereaktionen, på den anden side for anodereaktionen). Ofte er gasdiffusionslaget/-lagene dog inkluderet, da dette/disse også skal være elektrisk ledende.

Afhængigt af teknologien består membranen af forskellige polymerer eller keramik, der hver især selektivt kan transportere protoner, anioner (f.eks. hydroxidanioner = OH) eller ilt. Gasdiffusionslagene tjener til at transportere de producerede gasser (elektrolyse) og især de anvendte gasser (brændselsceller) så homogent som muligt væk fra eller mod reaktionsstederne (katalysatorlagene). Disse gasser ledes ud af eller ind i de elektrokemiske celler via kanaler i de bipolære plader.

Bipolare plader, der er blevet installeret i en flercellet eller stakkonfiguration, er først og fremmest ansvarlige for fysisk og elektrisk at forbinde anoden fra en celle med katoden i nabocellen. Bipolare plader i brændselsceller er også ansvarlige for at lede reaktionsgasserne til reaktionszonen. Til dette formål fræses eller presses strømningsprofiler (strømningsfelter) ind i pladerne på begge sider, hvorigennem brint strømmer på den ene side og luft tilføres på den anden.

En bipolar plade består af de to poler i en enkelt brændselscelle: den brintbærende anodeplade (den negative (-) pol) og katodepladen (den positive (+) pol) til tilførsel af reaktionsluften. Pladerne regulerer også fjernelsen af vanddamp og output af termisk og elektrisk energi. I elektrolyseceller bruges de hovedsageligt til at afkøle elektrolysatoren, tilføre reaktionsgasser til anodesiden og fjerne brint og gasser produceret i reaktionen.

I elektrolyse- og brændselscelleteknolgien er en stak en stak elektrokemiske celler forbundet i serie, inklusive huset/rammen/spændeelementer. Serieforbindelsen gør det muligt at øge forsyningsspændingen og reducere strømmen med samme effektforbrug i overensstemmelse med P=U*I. Uafhængigt af dette forenkler serieforbindelsen i en stak også systemets overordnede design.

Gasformig brint kan opbevares i en tank efter kompression ved højt tryk. Inden for transport er der for eksempel etableret et trykniveau på 350 bar for erhvervskøretøjer og 700 bar for personbiler. Ved 700 bar er densiteten ca. 40 kg/m³ (24 kg/m³ ved 350 bar). Højtryksakkumulatorer tilbyder en billig løsning til små lagermængder og bruges derfor hovedsageligt i mobile applikationer såsom biler og erhvervskøretøjer.
Der er aktuelt fire forskellige typer trykbeholdere på markedet:

• Type 1: Trykbeholderen består normalt kun af en metallisk væg af stål. Det nominelle tryk ligger i området 200 bar.
• Type 2: Ud over den metalliske væg har trykbeholderen en kappe lavet af imprægneret glas eller kulfiber med et nominelt tryk på op til 1000 bar.
• Type 3: Tanke har en foring lavet af metal (normalt aluminium) og en kappe lavet af kulfiber rundt om hele tanken. Det nominelle tryk er normalt 350 eller 700 bar.
• Type 4: Akkumulatorer har en liner lavet af plast (typisk polyamid eller polyethylen), og yderdelen er normalt lavet af kulfiber, som med type-3-beholdere. Det nominelle tryk er normalt 350, 500 eller 700 bar.

Sammenlignet med gasformig brintlagring giver flydende brint som brændstof fordele med hensyn til energitæthed (71 kg/m³). Trykket i tanken kan også holdes lavt. Dette har en positiv effekt på tanksystemet med hensyn til lagertankens vægt og pladsbehov, omkostninger (især ved store lagervolumener) og sikkerhed.

Omkostningerne ved fremstillingen af kryogen brint (-253 °C) er dog ikke ubetydelige. Desuden opvarmes brinten også, hvis den ikke nedkøles konstant. Dette fører til en stigning af trykket i tanken. Dette kan medføre tab på grund af "afkogning". Med andre ord bliver den gasformige brint ventileret ud i miljøet.

En brintmotor er en gasmotor, som kører på gasformig brint i stedet for flydende brændstof (såsom diesel og benzin). Der findes rene brintmotorer, som drives med ren brint. Der er også bi-brændstof-brintmotorer, som drives af en brændstofblanding af brint og andre gasser (såsom metan og naturgas).

En brintmotor ses som et alternativ til en brændselscelle, da eksisterende forbrændingsmotorer kan ombygges med relativt lille teknisk indsats. Undersøgelser viser dog, at omkostningsfordelene kommer til at falde betydeligt, efterhånden som efterspørgslen efter brændselsceller stiger. Derudover kæmper brintmotorer med en lavere effektivitet, højere vedligeholdelseskrav og ulempen ved ikke at være 100 % kulstofneutral.

"Brændselscelleelektriske køretøjer“ (FCEV) er udelukkende drevet af en elektrisk motor lige som "batterielektriske køretøjer" (BEV).

I modsætning til BEV leveres den nødvendige elektriske energi ikke af et stort drevbatteri (kendt som et trækbatteri). I stedet stilles den til rådighed ved at omdanne kemisk energi fra den alternative energikilde til elektrisk energi - muliggjort af brændselscellen.

For nuværende er brændselsceller endnu ikke designet til så hurtige og langvarige belastningsændringer, som forbrændingsmotorer er. Af denne grund er der også installeret et (lille) drevbatteri, som lades, når belastningen er lav, og afgiver ekstra energi, når belastningen er høj. Dette gør det muligt at drive brændselscellen med en relativt konstant belastning, når FCEV'en køres.

Brændselscellekraftværker (FCPP), kombineret varme og strøm (CHP) og kombinerede brændselscelle-varme- og -kraftværker (FC-CHPPP) imponerer med deres høje samlede effektivitetsniveau. Afhængigt af den brugte brændselscelleteknologi er den elektriske effekt i øjeblikket omkring 30-60 %. Den samlede effektivitet kan være over 95 %, da elektricitet og varme genereres direkte fra den elektromekaniske reaktion uden yderligere konverteringstrin.

Brændselscellekraftværker er hidtil primært udviklet i effektområdet 10 kw til 3 MW. I de senere år er udviklingen i det lavere effektområde dog i stigende grad gået i retning af mikro- og nanobrændselscelle-kraftvarmeværker med 0,3-1,5 kW elektrisk effekt og 0,6-2,0 kW termisk effekt for parcel- og dobbelthuse. I det øvre effektområde er der allerede opnået kraftværker med omkring 80 MW, og dette skal øges yderligere ved hjælp af modulære design i de kommende år.

Power-to-X (også kaldet PtX eller P2X) refererer til brugen af elektricitetsoverskud fra variable vedvarende energier til støtte af alle former for teknologier. Disse overskud kan for eksempel lagres direkte i batterier (power-to-power), omdannes til varme (power-to-heat) eller bruges til at producere kemiske energikilder (power-to-gas, power-to-liquid).

Hvis den overskydende elektricitet bruges til at producere kemiske energikilder, foretages der ofte yderligere differentiering (f.eks. strøm-til-brint, strøm-til-syngas, strøm-til-ammoniak, strøm-til-brændstof).

Ammoniak (NH3) er en kemisk forbindelse af nitrogen og brint, der under normale forhold er til stede i form af gas. Siden Justus Liebig omkring 1840 udviklede kvælstofgødning, har det været et af de vigtigste grundkemikalier. Det var dog først, da Haber-Bosch-processen blev brugt i industriel skala hos BASF i Ludwigshafen omkring 1913, at en betydelig stigning i den årlige produktion var mulig. I dag er ammoniak et af de mest producerede kemikalier (146,5 millioner tons i 2021, heraf 80 % til gødning) og grundlaget for produktionen af alle andre kvælstofforbindelser.

I lyset af den bæredygtige brintøkonomi, der er under udvikling, kan der forventes en yderligere stigning i den årlige ammoniakproduktion. Årsagen: Den er bedre egnet til transport og opbevaring end ren brint.

På grund af det ret høje kogepunkt på -33 °C, er det meget nemmere og billigere at gøre ammoniak flydende, end det er at gøre brint flydende (kogepunkt -252 °C). Den højere volumetriske energiværdi af ammoniak , sammenlignet med brint (3,2 kWh/l sammenlignet med 2,8 kWh/l) er også yderst relevant, især for transportlogistikker.