Det snakkes stadig om at hydrogendrevne biler blir en del av den grønne fremtiden. Dette vil kreve omfattende satsing på bærekraftig utvinning av hydrogen, og videreutvikling av brenselceller for bildrift.
Bildet øverst: Hyundai Nexo er en brenselcelle-drevet bil, reaksjonen mellom hydrogen og luftas oksygen gir elektrisitet som driver elektromotoren. Og ut kommer rent vann men poenget er jo hvordan de får tak i hydrogenet … (Foto: Hyundai)
Av Stein Bekkevold
Hydrogenutvinning kan skje ved elektrisk spalting av havvann eller via renset naturgass. Gassen metan (CH4) inneholder store mengder hydrogen; fire hydrogen-atomer per karbonatom, noe du jo ser av formelen – men utvinningen gir CO2. Beklager. Så om fangst og lagring av karbondioksid blir en reell mulighet – og først da – kan Norge bli storprodusent av hydrogen fra gass. Og da kan biler og annet drevet av utslippsfri hydrogen, bli en bærekraftig realitet. Dette krever brenselceller.
De tolv Gemini-romfartøyene – bygget av flyfabrikken McDonnell – var tidlige brukere av hydrogendrevne brenselceller til strømproduksjon; romfartøyets bakre del –som ble skutt løs før returen og brant opp i atmosfæren – inneholdt de røde og oransje tankene med hydrogen og oksygen – restproduktet fra el-produksjonen ble brukt som drikkevann … (Tegning: NASA)
Fra 1838!
Brenselcellen (FC, Fuel Cell) ble oppfunnet av Sir William Grove i 1838. Han var dommer og fysiker i Swansea, Wales. Den første kommersielle bruken kom nesten hundre år senere, med oppfinner Francis Bacons hydrogen-oksygen-celle, i 1932.
Denne alkaliske FC har vært brukt i romfart siden midten av 1960-tallet for å skaffe strøm til satellitter og romfartøy, som Gemini-serien til NASA. Og i kjøretøy av ymse slag.
En brenselcelle er altså en gammel oppfinnelse, som utvinner strøm fra hydrokarboner ved at drivstoffet reagerer med oksygen. Da skjer oksidering, i en elektrokjemisk prosess. Drivstoffet er hydrogen eller naturgass, men vi kan også bruke andre hydrokarboner eller alkoholer – propan, LPG, metanol eller biogass. Som oksidasjonsmiddel brukes luftas innhold av oksygen – som er 18 prosent.
En brenselcelle med hydrogen som drivstoff og oksygen for oksidering er en hydrogencelle.Den har katode, anode og elektrolytt – elektrolytten er plassert mellom elektrodene. En brenselcelle er ulik et elektrisk batteri, fordi kjemisk energi hentes fra en ytre kilde (drivstoffet); i et batteri er energien lagret internt. Og mens batterier må lades, vil jo brenselcellen virke så lenge den får drivstoff.
Prosessen
En FC endrer stillferdig kjemisk energi til elektrisk i en prosess uten forbrenning. En membran leder positivt ladde hydrogenatomer (protoner) – og drives av hydrogen (H2) på den ene siden, og oksygen (O2) eller luft på den andre.
Membranen er viderekoblet med elektriske ledninger. Protoner fra hydrogenatomene går gjennom membranen og reagerer med oksygen, elektronene går i de ytre ledningene og fullfører dermed reaksjonen. Dette gir elektrisk strøm, i en krets. Strømmen går til et batteri eller direkte til en elektromotor og lignende.
I reaksjonen dannes også rent vann (H2O). En FC har flere slike reaksjons-enheter koblet i serie, skilt med separasjons-plater. Hver plate gir 0,5 til 1,0 volt. Platestørrelsen gir mengden strøm.
Figur: Cellen har en pol til venstre (anoden) og en til høyre (katoden) og disse er skilt av en elektrisk ledende elektrolytt, som i et akkumulator-batteri. Inn fra venstre kommer drivstoffet, hydrogen eller metan; reaksjonen frigjør elektrisitet når oksygen reagerer med hydrogen og strømmen tas ut på toppen. Nede til høyre går vann ut, ut til venstre går ubrukt gass.
Effektive
En fordel med brenselceller er høy virkningsgrad, vi får mye elektrisk kraft fra drivstoffet. I bensinmotorer i er virkningsgraden lav, rundt 30 prosent, i mer moderne motorer er den rundt 35 – og enda høyere i dieselmotorer, på grunn av høyere arbeidstrykk og mer effektiv forbrenning.
Sånn sett er en moderne turbodieselmotor med AdBlue det beste vi har av forbrenningsmotorer. Årsaken til redusert virkningsgrad, er at mye av energien i drivstoffet går bort i overskuddsvarme.
Virkningsgraden i moderne hydrogenceller ligger på + 60 prosent, 20 prosentenheter over de beste dieselmotorene. Brenselceller som går på hydrogen har dessuten ingen lokale klimagassutslipp: Om brenselet inneholder karbon – slik en celle drevet med metan (CH4) gjør – vil avgassen inneholde litt karbondioksid, men mindre enn i eksosen fra forbrenningsmotorer.
Er drivstoffet rent hydrogen, vil sluttproduktet bare være vann. For å vurdere effektivitet og miljøfaktorer til en FC må selvsagt hele verdikjeden regnes inn. I dag lages hydrogen dessverre ofte fra naturgass, noe som altså gir CO2-utslipp. Hvilket er dumt; verden trenger ikke enda mer klimagass.
Fangst og lagring av CO2
Karbonfangst og -håndtering kan bremse global oppvarming når avgassen fanges og lagres. Teknologien er kommersielt tilgjengelig og godt utviklet. Gassen fanges inn ved at den mikses med ammoniakk og danner en ny gass. Denne kan så behandles ved at CO2 tas ut for seg og pumpes ned i tette reservoarer eller bindes kjemisk.
