onsdag den 6. april 2011

Brændselsceller

Baggrund:
Brændselsceller er ikke et nyt koncept. Den engelske jurist og fysiker William Grove lavede i 1839 eksperimenter med elektrolyse og snublede i den forbindelse over den modsatte effekt. Under elektrolyse blev der dannet ilt og brint på to elektroder i vandet. Derefter tilsluttede Grove et amperemeter i stedet for strømkilden og opdagede, at der løb en strøm i modsat retning. Rekombinationen af brint og ilt på elektroderne gav strøm.
Efter Grove’s fantastiske opdagelse skrev han et brev til Michael Faraday i 1842, hvori han skriver: “I cannot but regard the experiment as an important one.”
Men der skulle dog gå mere end 100 år, før denne fantastiske opfindelse, blev taget i rigtig anvendelse. 
Det var omkring 1960‘erne, hvor den amerikanske rumforskning gjorde store fremskridt inden for brændselscelle-teknologien. Rumraketter i apollo-programmet blev udstyret med en brændselscelle, som ikke blot kunne forsyne astronauterne med strøm, men den producerede også rent drikkevand til dem, så de kunne få noget at drikke. Man kunne nemlig ikke transportere store mængder vand med op i rummet, da det er for tungt og raketten ville derfor ikke kunne lette. Siden denne opfindelse, har alle raketter og rumfærger frem over haft installeret et brændselscelleanlæg. 
Der er ekstreme krav til elproduktionen i vores verden og man vil for en hver pris prøve at skabe strøm på en eller anden måde. Det var således ikke umiddelbar udsigt til, at prisen kom langt nok ned på brændselsceller til, at det ville blive en god erstatning til elproduktionen i stedet for olie. 
Men med årti-skiftet til 1980‘erne kom endnu en række teknologiske forbedringer og den fortsatte langsomme udvikling af brændselscellerne, havde gjort at dele af brændselcellerne var blevet sænket i pris, så i starten af 1980‘erne begyndte flere firmaer at investere i teknologien og udvikle deres eget forskningsprogram inden for brintceller/brændselsceller. F.eks. begyndte Ballard Power Systems i 1983 et langsigtet forskningsprojekt, som først i 1989 gav dem en brugbar brændselscelle. Dette fremskridt medførte også, at prisen var bragt ned og der var nu tale om en mere rimelig pris for masseproduktion. Processen fik også et yderligere skub, da der kom et politisk pres omkring udvikling af vedvarende energikilder. 


Hvordan virker brændselsceller?
I princippet fungerer en brændselscelle på samme måde som et batteri, dog bortset fra at brændselscellen ikke skal oplades. Den bliver ved med at producere strøm, varme og vand så længe der tilføres brændsel. Reaktionen ser således ud:
Brint adsorberer på anodekatalysatoren, hvor det spaltes og oxideres til H+. Reaktionsligningen ser således ud:
H2(g) → 2H+ + 2e
Protonerne (H+) passerer gennem elektrolytten (proton udvekslingsmembranen) over til katoden. Elektronerne kan ikke passere gennem elektrolytten og løber i stedet gennem kredsløbet, hvor de trækker en strøm. På katoden er iltmolekylerne adsorberet ved hjælp af spaltning og reduceres af elektronerne:
1/2 O2(g) + 2e− → O2− 
ilten reagerer herefter med protonerne: 
2H+ + O2− → H2O(g)
Den totale reaktion i cellen bliver således:
H2(g) + 1 O2(g) → H2
Som det ses af reaktionsligningerne er det eneste restprodukt vand. Der er altså overhovedet ingen udledning af drivhusgasser under udviklingen af energi. Ovennævnte kemiske forløb er nogenlunde generelt for alle, men der findes flere forskellige typer brændselsceller.
De kemiske processer ved anoden, katoden og membranen foregår ved høje temperaturer og derfor producerer brændselscellen også varme.
(følgende link giver en animation på hvordan det virker: http://www.vvsu.dk/elearning/bc01-05.htm



Er brændselsceller miljøvenlige nok i forhold til prisen?
Udbuddet på brændselsceller er slet ikke så stort endnu og det er derfor svært at skaffe en, men vi har fundet ud af, at brændselsceller bliver brugt i et større omfang i campingverdenen. Vi kiggede lidt på nogle priser til en campingvogn eller autocampere og prisen herpå lå på ca. 35.000 kr. for en brændselscelle, som nogenlunde kunne forsyne en campingvogn eller autocamper med strøm til de forskellige ting. Men det er rigtig mange penge at give yderligere for en brændselscelle. Det kan derfor kun svare sig, hvis man er stor campingentusiast og camper meget.
Faste installationer ville selvfølgelig være lidt billigere, men da efterspørgelsen ikke er stor endnu, er udbuddet også meget begrænset og man skal søge længe, hvis man skal finde én, som kan forsyne din hustand.
Er det muligt at indføre i et fossilt brændstofpræget samfund?
Det bliver en hård opgave at indføre brændselsceller i et brændstofspræget samfund. Olieindustrien har fået et stort forspring i form af at de har forsket meget længe og har sat sig på markedet. De er dyrt at have flere en energikilde så man valgte dengang benzin som den eneste energikilde og senere kom diesel så på markedet. Desværre har andre former for energikilde ikke fået chance for at vise hvor meget de er værd. Det er først inden for de sidste skiftende oliekriser at samfundet har søgt efter andre former for energikilder. Vi kan kun håbe at inden for de næste år får andre former for energikilder såsom brændselsceller en chance for at vise hvad de er værd. Det bliver dog også en dyr omgang at omvende et helt samfund fra at bruge benzin til at gå over og bruge alternative energikilder så som brændselsceller. Hvis vi ser en fuldstændig omvending skal der både udskiftes tankstationer, biler og oliefyr.
Brændselsceller har dog et lille minus man skal bruge energi til at fremstille brint. Dette kan andet løses ved solceller og vindmøller, men nyere teknologi er på vej så som bølgeenergi. Hvis resultatet er at drivhuseffekten går amok lyder det idiotisk at vi ikke begynder at masseproducere brændselsceller og begynder at sælge det billigt og dropper brændstoffet fuldstændigt. Hvis vi først sætter gang i produktionen af brændselsceller som en nødplan når vores verden begynder at falde fra hinanden, ville det smart hvis vi begyndte at forebygge allerede nu. 
Jeg tror på det er muligt at indføre brændselsceller i vores samfund det bliver dog en hård opgave.


Hvordan kan vi få fat i brint?
90% af universet består af brint. Det er ligeså det første grundstof i det periodiske system, så det er vel ikke noget problem at få fat i det? Eller er det?

Der findes flere forskellige måder at anskaffe brint på. Den mest brugte måde er, at sende strøm gennem vand, der herefter bliver spaltet i H2(brint)og O2(ilt). 
Da vands kemiske formel er H20, søger hydrogen mod den negative pol, da den selv er positiv, om oxygen mod den positive pol. Hermed har vi isoleret brinten, som efterfølgende kan bruges i brintceller, til at danne strøm. Dette kaldes elektrolyse. Der skal også bruges en katalysator for at starte processen og her bruges ofte svolvsyre.  Denne måde er vedvarende ved at vi altid vil have vand, og strøm vil vi også altid kunne fremstille. Problemet er bare at hvis strømmen er lavet på et kulkraftværk, forurener den ligeså meget som en benzinmotor havde gjort. Indtil videre er det mening at teknologien skal bruges i biler, som en mere miljøvenlig konkurrent, men hvis strømmen er produceret på et kulkraftværk, er den ikke mere miljøvenlig, og derved får brintmotoren ikke overtaget på bilmarkedet. Men hvis man derimod skaber strømmen på en miljøvenlig måde, som eksempelvis ved vind-, vand- eller solenergi, kan vi lave brint uden miljøet lider. Dette er måden frem for brintcellen, hvis den vil ind på bilmarkedet. 
Der findes dog også andre måde at få brint på. Der forskes lige nu i at udvinde brint fra algers fotosyntese, ved at få algen til at lave vand om til brint. En anden metode er at udvinde brinten fra fossile energikilder som eksempelvis olie, naturgas og kul, men som tidligere nævnt er idéen med brintceller, at de skal være miljøvenlige, og det er de ikke hvis brinten udvindes fra fossile energikilder. Den løsning der foreløbigt ser bedst ud mht. miljøsvineri, tilgængelighed og enkelhed er elektrolyse af vand. Det eneste restprodukt er oxygen, som er ren ilt. Men på denne måde for vi dog ikke skabt energi, men kun oplageret energi. Hvis man finde brint rent i naturen, kan man lave det om til elektricitet, og dermed få næsten gratis energi. Men da man først får energien fra en eksempelvis solcelle, og derefter bruger energien fra solcellen til at skabe brint, som igen kan laves tilbage til energi, er løsningen knap så god. Men det er under alle omstændigheder bedre end at bruge et batteri, da dette hurtigere mister sin evne til holde strøm, end brinten, som aldrig mister sin energi.
Brintbiler
Fordele ved brintceller:
Der er mange fordele forbundet med at anvende brændselsceller (brint celler) til el produktion: Vi sparer på de fossile energikilder og undgår forurening og udledning af giftgasser til atmosfæren. Hydrogen eller brint som det også kaldes, er en god løsning til at opbevare energi i. Denne energi kan f.eks. stamme fra solceller. Da solen ikke skinner altid og ofte skinner den ikke på de tider af døgnet, hvor vi har brug for elektriciteten. Brintceller er en effektiv og ren måde at lagre energi.
Sammenlignet med den batteridrevne elbil er der to store fordele ved brintbiler. For det første tager det ikke otte timer at lade en brintbil op som på en elbil. Det tager 3-4 minutter at overføre brint til en brintbil og derefter kan den køre 300-400 kilometer. Den anden fordel er at brintbilen genererer en del spildvarme som kan bruges til at opvarme bilen om vinteren. Så behøver man ikke tænke over det.
Ulemper:
I denne moderne verden er der opstået en videreudvikling af bilerne. Nye biler skal som alle andre elementer i vores hverdag være gode mod miljøet (grønne mod miljøet). Det sker ved inddragelsen af brint, som brændstof. Dog er det en proces som er meget langsommelig, da opfindelsen af brintbiler er forholdsvis ny. Og som fabrikanterne af brintbilerne siger “For at brintbiler kan blive populære så kræver det at de er enten billige eller har en fantastisk motorkraft. Indtil videre er det ikke lykkedes, som også er forklaringen på brintbilers manglende popularitet”. Desuden venter de fleste mennesker med at købe en brintbil til næste gang de skal have ny bil. Og da finanskrisen stadig raser lidt kan det være nogle år får man rigtig får et billede af om brintbiler er en succes rent salgmæssigt.  
Derudover er også andre ulemper eller problemer ved brintbiler. Fx kræver brintbilers motorsystem meget plads, især de store brinttankene kræver plads. Det går ud over bilens design. Og bilens design er for mange mennesker ret vigtigt. Dertil  er en af de største ulemper ved brintbiler også, at brint (H₂) kan eksplodere. Det kan skræmme folk væk fra ideen om brintbiler. Og som sidste store problem er brint ikke noget man bare lige hurtigt får fat i. For brint fremstilles som oftest, når det gælder brint til brintbiler, ved elektrolyse. En ulempe ved elektrolysen er at man tager energien fra fx en solcelle, bruger den energi til at skabe brint for igen at lave brinten om til strøm og skabe fremdrift til brintbilen. 

Konklusion
Brintbiler er både dyre, og har ikke en bedre motor(kraft) end samme slags biler, enten af benzin eller diesel. Derudover tror vi også at den risiko for at brint eksplodere ved en eventuelt trafikulykke, hvis det ikke er på anden form, end gas. Det er de hovedmæssige punkter der indtil idag har gjort at brintbiler kun er produceret i et lille omfang. Først når disse problemer bliver løst kan brintbiler blive konkurrent mod benzin- eller dieselbiler.





Andreas, Jens, Kristian, Kristoffer og Mads
Signatur

1 kommentar: