Ekspertintervjuet: Slik virker en brenselcelle – Energi og Klima

Ekspertintervjuet: Slik virker en brenselcelle

Det går an å bare brenne hydrogen for å utnytte energien. Men mest effektivt er det om man bruker hydrogen til å lage strøm i en brenselcelle.

Denne trekkvognen er et samarbeidsprosjekt mellom Kenworth og Toyota, har vært på veien i litt over ett år, og går på strøm den får fra hydrogenbrenselceller om bord. Hydrogenbrenselceller kan brukes i alle kjøretøyer til å drive elmotorer. De har møtt sterk konkurranse spesielt i landtransporten på grunn av stadig bedre og billigere batteriteknologi. Men til langtransport, der rekkevidden til batterikjøretøy blir problematisk, kan hydrogen være et bedre alternativ.TruckPR cbnd

Derfor er hydrogenbrenselcellen selve nøkkelen til å omsette energien i hydrogenet til strøm – enten du vil bruke hydrogen i en bil, i et fly eller til å lage strøm til husholdninger. Men hvordan virker egentlig en brenselcelle? Vi spør Federico Zenith. Han er førsteamanuensis II ved NTNU og seniorforsker på SINTEF med blant annet brenselceller som forskningsområde.

Ekspertintervjuet

Federico Zenith er førsteamanuensis II ved NTNU og seniorforsker på SINTEF med blant annet brenselceller som forskningsområde.

<2°C: – Hvordan fungerer en brenselcelle?

Federico Zenith: – Den enkleste måten å forklare det på, er å sammenlikne med en vanlig forbrenningsmotor: Du må tilføre brensel utenfra, og så får du effekt fra motoren – her i form av elektrisk strøm. Men til forskjell fra en bilmotor har du ingen bevegelige deler. Du har ingen stempler, og du får ingen høy temperatur.

– Men du får strøm? Så du trenger en elmotor for å komme fremover?

– Riktig, det må du ha. En bil som går på brenselceller, er egentlig en elbil uten et stort batteri. Brenselcellen må tilføres brensel i form av hydrogen. I tillegg trenger du oksygen – da holder det med oksygenet du får fra luften.

Ad
Vi støtter Tograder-prosjektet:

Hydrogen og luft blir til strøm og vann

– Hvordan lages strømmen?

– Du har to deler i en brenselcelle – enkelt forklart har du hydrogenet på ene siden, luften på den andre. Mellom dem har du en membran, og en elektrisk krets. Dersom du splitter hydrogenet i ett proton og ett elektron, går protonet gjennom membranen. Elektroner tvinges inn i den elektriske kretsen og beveger seg over på andre siden gjennom den, og du får strøm.

Dette intervjuet er gjort i forbindelse med vårt nye temanotat: Hydrogen som klimaløsning. Her finner du mer informasjon om ulike vippeelementer og vippepunkter, fortalt gjennom intervjuer med ledende forskere på området.

Les notatet her

– Hva skjer på andre siden av membranen?

– Der knytter protonene og elektronene seg til oksygenmolekyler, og du får vann – og spillvarme, som er de eneste biproduktene.

– Av innsatsmidler trenger du egentlig bare luft og hydrogen?

– Ja, normalt holder det. Du kan også bruke rent oksygen – det gir spesielt mening i miljøer der tilgangen til luft er begrenset. Som i en ubåt. Men, ja, luft og hydrogen er alt du trenger å tilføre for å holde reaksjonen i gang.

– Den spillvarmen, kan du bruke den til noe?

– Dette er snakk om lavverdi-varme. Det blir ikke voldsom varmeutvikling – men nok til for eksempel å drive en kupevarmer hvis brenselcellen driver en bil, for eksempel. Det er også derfor brenselceller ikke innebærer noe rekkeviddetap for biler om vinteren – fordi du kan utnytte spillvarmen.

Dyre materialer i katalysatorene

– Selve brenselcellen, hvilke materialer trengs for å bygge den?

– Membranen er som regel bygget av en form for plast som inneholder små vannlommer som protonene kan bevege seg gjennom. Så har vi en katalysator på begge sider, typisk platina. Platina er dyrt, men du trenger veldig små mengder av det per celle. Men det er viktig – spesielt på luftsiden, som er den vanskelige. Det er ganske lett å splitte hydrogenet i proton og elektron. Å få disse sammen med oksygenet, er mer komplisert.

– Hvorfor?

– Du skal ha flytende vann, med protoner i, kombinere med elektroner fra en elektrisk krets, og oksygengass på samme sted, og få til en reaksjon. Det blir fort mye rot. Dette har man forsket i mange tiår på, og det er fortsatt en liten hodepine.

– Påvirker det virkningsgraden på noen måte?

– Ja, og ikke minst strømtettheten. Det er flere ting i serie – du må ha nok katalysator, men ikke for mye – for strukturen i membranen må være akkurat riktig også. Så må du få vannet ut på rett sted, det må være porøst nok til å slippe frem luften … det er mye som skal klaffe. Det er ikke enkelt.

Ikke så skjøre som de var

– Er det slitasje?

–  Brenselceller pleide å være ganske skjøre saker med begrenset levetid. Husker du den forrige perioden med hydrogenhaip, for 20 år siden? Den som ikke ble realisert? Da var det nettopp dette som var årsaken: Kostnadene var skyhøye, blant annet fordi levetiden var så dårlig.

– Og de fikk rykte på seg for å være skjøre?

– Det stemte da, men gjelder ikke lenger. Nå er det blitt mye bedre. Som nevnt ovenfor – det er ingen bevegelige deler, så du har null mekanisk slitasje. Selve brenselcellen har et gradvis tap av virkningsgrad. Når det er sagt – det er brenselceller i busser i London som har vært i drift i 35000 timer. Kriteriet for brenselceller i biler er at de skal holde i 5000 timer. Og hvis du tenker deg at det er 8760 timer i et vanlig år, og at biler stort sett står i ro de fleste av døgnets timer, sier jo det noe om driftssikkerheten.

I et EU-prosjekt testet for eksempel en stor tysk produsent en brenselcelle – og under en av kjøringene glemte testerne å tappe kjølekretsen for luft. Etter at de skjønte det som hadde skjedd, trodde de at brenselcellen måtte kastes – men etter at kjølekretsen ble tappet, fungerte det som ingenting hadde skjedd. Gjør du noe sånt med en forbrenningsmotor, kan du bare glemme det. Da kan den kastes. Jeg er om noe overrasket over hvor mye de etter hvert tåler.

Det som oftest ryker i brenselcellesystemer, er kompressoren som brukes til å pumpe luft inn. Det er som regel nokså uproblematisk – man bruker typisk kompressorer til forbrenningsmotorer, fordi de er hyllevare. Men det har hatt mye å si for utrullingen at de har vært så upålitelige.

Kompressoren er det svake leddet

– Er det noen grunn til at den ryker, og kan det fikses?

– Ja, det kan heldigvis fikses. Utfordringen er at det er helt ulike strømningskarakteristikker for den luften du skyver gjennom en brenselcelle sammenliknet med en forbrenningsmotor. Spesielt når du skal endre arbeidsrytmen til brenselcellen. Det blir raskt slitasje som hyllevarekompressorene ikke tåler. Løsningen er nesten banalt enkel – du trenger bare en bypassventil – men det visste folk ikke så lenge.

At det har vært problematisk så lenge, handlet nok mye om at når man utvikler en brenselcelle, er det brenselcellen du konsentrerer deg om. Det er der den spennende utviklingen har skjedd – kompressorer er gammel, enkel teknologi – den skal jo i utgangspunktet «bare» dytte luft gjennom systemet.

– Du har nevnt biler og busser – hva annet bruker man brenselceller til?

– Alle transportmidler kan i prinsippet bruke brenselceller. Å bruke hydrogen i en forbrenningsmotor er uansett utfordrende og mindre effektivt: Det gir høy temperatur, du kan få utslipp av nitrogenoksider og virkningsgraden er lavere enn brenselceller.

Fordeler med brenselceller vis-a-vis batteri-el …

– Men det krever strøm å lage hydrogen – er det ikke bedre å bare bruke strømmen direkte?

– Hvis du ikke har særlig behov for energilagring, er det riktig – helt generelt sett. Da blir brenselceller både mindre effektive og mer kompliserte. Men jo større behov for energilagring – eller sagt litt enkelt: Jo lengre avstander du skal flytte deg uten å kunne lade, jo dyrere og større batteri trenger du. Da blir en hydrogenbrenselcelle raskt billigere.

Å lagre hydrogen i dag koster om lag 12 dollar per kWh. Batteriteknologien er i en rivende utvikling, men lagringskostnaden vil aldri komme i nærheten av det. Det er vanskelig nok å krype under 100 dollar per kWh – og her er det ikke teknologiutviklingen, men fysikkens lover som setter grensene. Dermed er det først og fremst de lengre distansene – både på land og til sjøs, og etter hvert også i lufta – som er egnet for hydrogenbrenselceller.

– Er det andre fordeler med brenselceller vis-a-vis batteri-el?

– Det går kjapt å fylle – en brenselcellebil tar typisk tre minutter å fylle, og da har du brensel til mange timers kjøring. I tillegg er energilagringen relativt billig og energitettheten er høy.

En annen fordel – selv om mange snakker om at det er vanskelig å bygge ut hydrogeninfrastruktur, kan hydrogendrift under noen forhold være spesielt godt egnet for grisgrendte strøk. Tenk deg at du har en ferge som går et sted der det er et stykke til folk. Og el-nettet er dårlig bygget ut. Da er det vanskelig å trylle frem et 10 MW ladeanlegg. Du kan sette opp batteripakker på hver side av fjorden som du kan lade med, men det blir dyrere. Da kan det være mer effektivt å bruke strømmen til å produsere hydrogen på den ene siden av fjorden, og fylle – raskt – ved behov.

… og ulemper

– Og ulemper?

– Det mange trekker frem først, er den lavere virkningsgraden sammenliknet med batteri. Der du får et sted mellom 80-95 prosent med batteridrift, kan du regne med 54 prosent med en brenselcelle. Ser du bare på brenselcellene, kan du se tall på 60 prosent – men da «glemmer man» kompressoren som også bruker en del kraft.

Til slutt er kostnader fortsatt høyere, og det begrenser også utrullingen av brenselceller. Når de bestilles i dag, settes de sammen for hånd – og da blir prisen høy. I dag må du regne med å betale rundt 2000 euro/kW. Skal de være konkurransedyktige, må prisen ned mot 200-300 euro/kW.

– Men det er vel et skalaspørsmål?

– Ja, det amerikanske energidepartementet, DOE, beregnet at dersom man hadde solgt en halv million enheter i året, ville kostnadene vært så lave som 40 USD/kW. Eller rundt 33 euro etter dagens kurs. Det kan være litt optimistisk, og problemet med å komme dit er at det krever et trossprang. Noen må våge å satse. Det er ikke bare å slenge opp noen gigafabrikker og håpe på å få kunder.

Hydrogenutrulling blir høne-og-egg-problematikk

– Men for at hydrogen skal bli et attraktivt alternativ, må vi etablere infrastruktur. Det har visst vært vanskelig. Hvorfor det?

– For å ta personbilsegmentet som eksempel: Det er stor forskjell på å rulle ut batteribiler og brenselcellekjøretøy. Husk de første Think-bilene – du kunne lade dem hjemme. Trengte man ladepunkt et annet sted, var det enkelt: En stolpe med støpsel. Strøm hadde vi allerede overalt.

Med hydrogen, må alt bygges fra null. Vi har hydrogen tilgjengelig der den brukes i industrielle prosesser. Men ikke i det trykket vi trenger. Der er det gjerne 20-30 bar, til transportsektoren, trenger vi flere hundre bar.

– Men kan vi ikke bygge det opp litt etter litt?

– Problemet er at folk vil kjøpe hydrogenbil dersom infrastruktur finnes. Men du får ingen infrastruktur før det er etterspørsel etter det.

– Høna og egget?

– Eller spillteori. Og det er helt forståelig. Fordelen med hydrogenkjøretøy er at du har rekkevidde som en Tesla, samtidig som det tar bare et par minutter å fylle tanken. Bor du i Oslo og har hytte på Geilo, kommer du opp og ned til hytta på én tank.

Problemet er jo at du ikke kan gjøre særlig mer enn det, hvis du bare har muligheter til å tanke i Oslo. Derfor må du nesten bygge ut fyllestasjoner landet over før det blir et konkurransedyktig alternativ.

Nå er infrastruktur for personbilsegmentet kanskje det som er vanskeligst å rulle ut, og vi skal ikke være for bastante heller. Jeg tror det kommer etter hvert. Men jeg tror det kommer senere.

God utrulling krever samkjøring ovenfra

– Så hva må komme først?

– Det som vanskelig kan kjøre på batteri. En tommelfingerregel: Kjøretøy flest på batteri, kilometer flest på hydrogen. Med andre ord: Tungtransport, lastebiler og busser på land. Til sjøs er det enda større muligheter. Utfordringer med batterier er at de er tunge, og at det krever tid for å lade dem. Så kortere fergestrekninger kan gå, men for eksempel hurtigbåter er det verre med. Hurtigbåter må være lette, og ha store mengder med effekt. Da passer hydrogen bedre.

– Men tilbake til hønen og egget, hva gjør vi først?

– Begge. Man må samkjøre. Finne potensielle storforbrukere med faste og forutsigbare forbruksmønstre. For eksempel rutebåter. De krever mye energi, de har anløp og avgang til faste tider. Det er forutsigbart når de kommer, når de trenger energi. Det samme kan vi si om busser, hurtigbåter og fly.

Og så går det an å koordinere med annen industri som også krever hydrogen. Biogassanlegg, for eksempel. Ta for eksempel Berlevåg, der er jeg involvert i et prosjekt der overskuddskraft fra vindparken skal brukes til å produsere hydrogen. Hva skal vi gjøre med hydrogenet? Der kommer løsningen i at Berlevågs nabokommune, Båtsfjord, har startet biogass-anlegg.

Der ligger litt av nøkkelen til vellykket utrulling: At du bygger opp bruk og produksjon samtidig. Men slikt må synkroniseres ovenfra. Der er også hovedforskjellen fra elbil-utrullingen: Der kunne man bruke insentiver og stort sett la markedet gjøre resten. Med hydrogen trengs mer innblanding fra myndighetene, og mer koordinering i næringslivet.

Tilbakekjøpsordninger

– Er det godt nok det som skjer i dag? Det skjer jo ting, men mest i grisgrendte strøk?

– Det er på regionalt nivå det skjer, ja. Jeg tror nok det henger sammen med at beslutningskjedene er kortere. Det går raskere fra initiativ til politisk beslutning, færre folk er involvert.

– Hva kan vi gjøre for å gjøre det bedre?

– Det vi ofte hører, er at industrien som skal bruke hydrogenet ønsker en form for garanti for at de skal få levert det de trenger. Og de ønsker gjerne en garantert makspris. De som skal produsere, ønsker på sin side en garantert minstepris. Der er det rom for politikk.

Så vil du ha dem som vil produsere hydrogen til eget bruk. De vil ønske tilgang til billig strøm. Men i hovedsak tror jeg vi vil trenge mange, små utrullingsprosjekter – som hydrogendrevne renovasjonsbiler i Øst-Finnmark – som ikke er nok til å rettferdiggjøre egen produksjon. Slikt er det lettere å få folk til å satse på hvis man etablerer tilbakekjøpsordninger.

<2°C eies av

I samarbeid med