Brintenergi

Artikel type
faktalink
journalist Tore Daa Funder, iBureauet/Dagbladet Information. 2005
Hydroelektroniske turbinegeneratorer. Foto: PolFoto
Hydroelektroniske turbinegeneratorer.
Foto: PolFoto

Dag og nat, alle årets 365 dage, forbruger jordens befolkning - især i industrialiserede lande som USA, Japan og en lang række europæiske lande - enorme mængder af gas, olie og kul. Disse stoffer brændes af for at skaffe energi, og samfundet kan ikke fungere uden. Men hvis vi fortsætter med at bruge energi som nu, løber vi før eller siden tør for de fossile brændstoffer. En mulig arvtager står klar i kulissen: brintenergi. Allerede nu leverer brint energi til biler, computere og hospitaler, og nye tekniske gennembrud gør, at brinten på længere sigt er en troværdig afløser for kul, gas og olie. Og allerbedst: Brinten kan udvindes af vand.

 

Introduktion til brintenergi

Indledning

Dag og nat, alle årets 365 dage, forbruger jordens befolkning - især i industrialiserede lande som USA, Japan og en lang række europæiske lande - enorme mængder af gas, olie og kul. Disse stoffer brændes af for at skaffe energi, og samfundet kan ikke fungere uden. Men hvis vi fortsætter med at bruge energi som nu, løber vi før eller siden tør for de fossile brændstoffer. En mulig arvtager står klar i kulissen: brintenergi. Allerede nu leverer brint energi til biler, computere og hospitaler, og nye tekniske gennembrud gør, at brinten på længere sigt er en troværdig afløser for kul, gas og olie. Og allerbedst: Brinten kan udvindes af vand.

Se også Faktalinket om Vindmøller

Hvad er brint?

Brint er det mest almindelige grundstof i universet. Grundstoffet brint kan danne verdens mindste molekyle (H2). Ved atmosfærisk tryk - der er trykket ved havets overflade - kendes den som en lugtfri og farveløs gasart. I denne form kan brinten være med til at drive den kemiske reaktion i en brændselscelle, der producerer brugbar energi i form af strøm og varme. Ved den energiskabende proces udskilles ingen forurenende stoffer. Det eneste restprodukt er nemlig vanddamp. Derfor er brint i disse år i hele verdens søgelys som et muligt alternativ til konventionelle energikilder som olie, kul og gas.

Hvad er elektrolyse?

Brint findes ikke i fri form i naturen, og den skal derfor fremstilles kunstigt, hvis den skal kunne bruges i en brændselscelle. I elektrolysen spaltes brinten fra olie, vand eller gasarter, som brinten normalt er bundet til. For at spalte brinten fra disse andre stoffer, skal man tilføre energi. Denne energi kan stamme fra konventionelle energikilder eller fra vedvarende energikilder som for eksempel solenergi.

Hvad er en brændselscelle?

Brændselscellen er den centrale teknologi for brintenergien. Brinten kan bruges til at drive den kemiske proces i en brændselscelle, så der produceres strøm. På et normalt kraftværk producerer man el og varme ved at afbrænde olie, kul eller gas. I brændselscellen derimod er der ingen forbrænding. I stedet fungerer den ved en proces, der minder meget om den måde, som almindelige batterier fungerer på. Brinten forbindes med ilt - der typisk kommer fra luften - og bliver til frigivet vanddamp, der kan betegnes som cellens udstødning. Ved brændselscellens 'forbrænding' opstår en elektrisk spænding.

Hvordan fungerer en brændselscelle?

En enkelt brændselscelle er typisk ret lille og flad - med størrelse og form som et cd-etui. Der findes flere forskellige typer brændselsceller, eksempelvis keramiske brændselsceller og plastikbrændselsceller. De virker på lidt forskellig vis, men fælles for dem alle er, at hver enhed består af tre elementer, der er lagt oven på hinanden som i en kiks:

  • Anoden: Dette er en porøs plade, der skiller de tilførte brintmolekyler til brintatomer. De løsrevne brintatomer, der dannes ved denne reaktion, vil søge at gå i forbindelse med luftens ilt, hvorved der skabes vand.
  • Elektrolytten: Dette er 'indmaden' i brændselscellen og er et tyndt, tæt lag, der forhindrer ilten og brinten i at reagere med hinanden, før de har lavet en elektrisk strøm. Denne plade kan være lavet af plastik eller af forskellige keramiske stoffer.
  • Katoden: Dette er også et porøst lag, der skiller iltmolekyler, der normalt findes parvis, til iltatomer.

Brændselscellen fungerer ved, at iltatomerne løber igennem elektrolytten over til anodens brintatomer, hvorved der dannes vand. Ved denne proces kommer der et overskud af elektroner. De kan ikke løbe gennem den tætte elektrolyt og må løbe udenom. Dermed skabes en strøm af elektroner, der eksempelvis kan drive en elektrisk pære. Forskellen på de to nævnte typer brændselsceller er arbejdstemperaturen og det brændselsmiddel, der bruges. Mens plastikbrændselscellen (kaldet en PEM-celle) alene virker med brint, der forbrændes ved relativt lave temperaturer - under 100 grader Celsius - så arbejder keramiske brændselsceller (kaldet SOFC) ved væsentlig højere temperaturer - mellem 650 og 1000 graders Celsius. Denne type brændselsceller kan forbrænde en række forskellige stoffer, eksempelvis naturgas, ammoniak og træsprit, og energiomsætningen udmærker sig ved høj effektivitet og næsten intet spild.

For begge typer brændselsceller gælder det, at holdbarheden er begrænset - typisk ganske få år. Det skyldes hovedsageligt, at der med tiden sker en række ukontrollable kemiske processer mellem brændselscellens forskellige lag, processer der efter et stykke tid hindrer cellens effektivitet.

Hvor megen elektricitet kan en brændselscelle lave?

Fælles for alle brændselscellerne er, at de hver for sig leverer en spændingsforskel på cirka 1 volt. Hvis man ønsker en større spænding, kan man bygge dem sammen i en serie, hvorved man får en såkaldt cellestak, der kan levere præcis den spænding, som man ønsker. Der forskes i øjeblikket både i systemer af brændselsceller, der kan yde lige så meget energi, som det kendes fra kraftværker, og i små stakke, der kan erstatte batterierne i mobiltelefoner og i legetøj.

Hvordan oplagres brinten?

Brint er den letteste gasart i verden. Det er også den gasart med de mindste molekyler. Det gør gassen vanskelig at opbevare. I dag bruges flere forskellige metoder til at oplagre brinten. Dette kan gøres:

  • Ved at opbevare brintgassen på flydende form
  • Ved at opbevare brinten som gas i tryktanke
  • Ved at oplagre brinten i forskellige former for metalstøv.

I dag er den mest anvendte metode til opbevaring af brint at anvende tryktanke. Der er dog flere problemer med de to førstnævnte lagringsmetoder. I gasform fylder brinten meget og skal bringes under et stort tryk for at kunne håndteres. At bruge brint under så stort tryk medfører en sikkerhedsrisiko. Skal brinten være flydende, skal den gøres meget kold - fryses ned til minus 254 graders Celsius - og dette kræver store mængder energi.

I tv-programmet "Viden Om", der blev sendt i marts 2005 (se kilder), fortælles, at man i øjeblikket især undersøger mulighederne for lagring af brintgas ved hjælp af forskellige former for metalstøv. Det anses for den mest lovende lagringsteknik i øjeblikket.

Metalstøvet kan binde meget store mængder brint. Metalstøvet, eksempelvis magnesium, er struktureret i en gitterform. Oplagringen sker ved, at brintatomerne smutter ind i hulrummene mellem metalatomerne i gitterstrukturen. Ved hjælp af beholdere med metalstøv er det derfor muligt at opbevare meget store mængder gas på meget lidt plads. Denne teknik bruges eksempelvis i dagens mobiltelefoner, hvor brint indgår som en vigtig del af batteriet.

Hvilke problemer er der aktuelt angående udbredelsen af brintenergien?

Før en udbredt anvendelse af brint kan finde sted, skal en lang række problemstillinger vedrørende produktion, lagring, sikkerhed og distribution afklares. Aktuelt er der mindst tre problemstillinger, der hindrer en massiv udbredelse af den miljøvenlige brintenergi:

  • Prisen på brint er stadig for høj til, at brintenergi kan konkurrere med de konventionelle energikilder som benzin og dieselolie
  • Prisen på brændselscelle-teknologien er stadig høj, og holdbarheden for brændselscellerne er aktuelt ret ringe
  • En udbredt anvendelse af brint vil givetvis kræve, at man bygger et særligt brintnetværk. Brintmolekylet er nemlig det mindste af alle molekyler, og det stiller store krav til tætheden af rør og pakninger.

Hvordan kan brintenergien virke som et energilager?

På hjemmesiden www.nynatur.dk (se kilder) fortæller videnskabsjournalisten Peter Hesseldahl, hvordan brintenergien kan fungere som et energilager. Der findes nemlig brændselsceller, der kan fungere begge veje: Hvis man tilsætter luft og brint, kommer der elektricitet og varme ud af processen - og hvis man i stedet sender elektricitet gennem cellen, kan den spalte vand og danne brint. Denne egenskab ved brintenergien kan benyttes til at gøre en anden miljøvenlig energikilde mere effektiv, nemlig vindenergi.

Effekten af en vindmølle afhænger jo af, hvor meget vind, der blæser. I blæsevejr kan vindmøllen producere meget elektricitet, og en del af denne energi kan bruges til at producere brint, der kan oplagres. I stille vejr, hvor der er mangel på strøm fra vindmøllerne, kan den oplagrede brint så drive en brændselscelle, der kan bidrage til elproduktionen.

 

Brintenergiens udvikling

Hvem udviklede teknologien bag brintenergien?

En italiensk professor ved navn Luigi Galvani tog i 1780'erne de første spæde skridt mod den brændselscelle-teknologi, der senere skulle blive kernen i brintenergien. Han havde sat sig for at finde ud af, hvorfor muskler og nerver trækker sig sammen, når de bliver udsat for elektrisk strøm. Han havde blandt andet set, hvordan frølår trak sig sammen, hvis de blev hængt op mellem to typer metaller. Professor Galvani konkluderede derpå, at frølårene producerede elektrisk strøm, og at frøerne måtte være elektriske.

En anden italiensk professor - Alessandro Volta - troede ikke på, at det var frøerne selv, der var elektriske. Han lavede derfor i stedet en forsøgsopstilling, hvor han erstattede frølårene med klude, som var vædet i saltvand. Når han hængte en sådan klud op mellem to forskellige typer metaller, så lavede opstillingen også strøm. Volta havde konstrueret verdens første batteri. Og han havde bevist, at man kunne lave elektrisk strøm ved en kemisk reaktion.

Den første egentlige brændselscelle blev konstrueret af waliseren Sir William Robert Grove i 1839. Brændselscelle-teknologien blev imidlertid ret hurtigt overhalet af forbrændingsmotoren, eksempelvis dieselmotoren. Denne motor var ret nem at bygge og kunne levere stor energi uden at fylde ret meget.

Hvilken rolle har rumfarten spillet for udviklingen af brintenergi?

I 1960'ernes rumkapløb kom brændselscelle-teknologien igen til ære og værdighed. I rummet er strømgeneratorer, der forbrænder benzin, upraktiske, så forskerne, der udviklede de amerikanske rumfartøjer, var tvunget til at lede efter alternative måder at producere strøm på. Her havde brændselsceller flere oplagte fordele som en effektiv energikilde, der ikke forurenede ved brug, men tværtimod leverede affaldsstoffer der kunne være livsvigtige for astronauterne. Når ilten og brinten var færdige med at lave strøm, blev slutproduktet nemlig vand, som astronauterne kunne drikke.

Hvem står bag udviklingen af brintenergien på globalt plan?

I 1960'ernes rumkapløb var brændselscelle-teknologien meget kostbar, men det ændrede sig i 1990'erne. Fremstillingsprisen var blevet reduceret til en tiendedel, og det blev nu realistisk at forestille sig brændselsceller bygget ind i almindelige personbiler. I disse år er de største aktører på området USA, Canada og Japan, fortælles det på hjemmesiden for DR's videnskabsprogram "Viden Om" (se kilder).

Endnu er rene brintdrevne biler betydeligt dyrere end almindelige biler, men ifølge Larry Burns, der er udviklingschef for General Motors - der er verdens største bilproducent - vil brintbiler koste det somme som benzinbiler i 2010. Det fortælles i tidsskriftet "Illustreret Videnskab", nummer 15 fra 2004 (se kilder).