Brenselceller omformer kjemisk energi direkte til elektrisitet på en effektiv og miljøvennlig måte.

Selv om man bruker naturgass i prosessen, vil en energiutnyttelse opp mot 80 prosent gi en reduksjon av CO₂-utslipp på rundt. 50 prosent i forhold til dagens konvensjonelle energiutnyttelse.

Vann som eksos

- Fordelen med brenselceller er at de er svært effektive, med lite energitap i prosessen, sier professor Alex C. Hoffmann ved Institutt for fysikk og teknologi, Universitetet i Bergen.

- Ved å konvertere kjemisk energi direkte til elektrisk energi, unnslipper man omveien med å lage mekanisk energi først, for så å drive et kraftverk.

- I tillegg kan man utnytte spillvarmen fra kraftverkene slik at man kan komme opp i 70-80 prosent effektutnyttelse istedenfor de rundt 38 prosent som man får fra konvensjonelle kraftverk i dag, sier han.

- Dessuten vil kraftverk som baseres på brenselceller avgi langt mindre utslipp av NOx, SOx og partikler.

Det finnes hovedsakelig to typer brenselceller: Høytemperatur- og lavtemperatur-brenselceller. Til sammen kan de dekke bruksområdet fra mobiltelefoner til industrielle kraftverk.

De mest vellykkede lavtemperaturcellene i dag, er fastpolymere brenselceller (PEM) som arbeider ved 60-100 grader celsius.

Disse drives av ren hydrogen og avgir kun vann som eksos. Siden de er kompakte og ikke har noen bevegelige deler, er de egnede som bilmotorer.

Den mest lovende høytemperaturcellene per dags dato, og som det hovedsakelig forskes på ved Universitetet i Bergen, er keramiske fastoksid brenselceller (SOFC), som opererer ved 700-1000 grader celsius.

Disse brenselcellesystemene kan på en svært effektiv måte brukes til å drive motorer til større fartøy, kraftverk og varmeutvinning til privatboliger eller storindustri.

Høytemperatur SOFC-anlegg kan gi effekt fra kW-GW størrelser, og er i tillegg fleksible i forhold til bruk av drivstoff. Brenselcellen kan gå på naturgass og biogass direkte, men også kull kan omdannes til ren hydrogen for bruk i brenselsceller.

Har teknikken, mangler penger

Høytemperaturceller skal tåle svært høye temperaturer, og det kreves mye av materialenes holdbarhet. I tillegg forsøker man å redusere motstanden i cellene, for å øke strømtettheten gjennom dem.

Ved UiB arbeides det med å produsere mer effektive materialer til de tynne keramiske cellene som stables oppå hverandre.

- For øyeblikket forsøker UiB, sammen med CMR Prototech AS, å lage råmaterialer til brenselceller av nanopartikler. Får man til dette, vil materialene bli billigere å fremstille, samtidig som man får celler som gir mindre motstand, og dermed er mer effektive i bruk.

- Det største hinderet for å sette i gang masseproduksjon er likevel mangel på investorer og politisk vilje. Hvis det kommer et politisk push for å få brenselcelleanlegg masseprodusert, så vil det være et betydelig skritt i retning av å få dem kommersielt konkurransedyktige, mener Hoffmann.

Energi med CO2-fanging

CMR Prototech AS har i samarbeid med forskningsmiljøet ved UiB drevet med design og produksjon av brenselsceller, tilhørende komponenter og systemer siden tidlig på 90-tallet.

- Vi utvikler blant annet høyeffektive og miljøvennlige systemer for konvertering av naturgass. Blant annet utviklet vi verdens første komplette SOFC-anlegg i 1997, sier Arild Vik, teknologidirektør ved CMR Prototech AS.

- I disse dager plasserer vi, i samarbeid med BKK, et SOFC-anlegg for felttesting på Kollsnes. Anlegget skal levere 3 kW strøm og 3 kW varme.

- Vi regner med at den totale virkningsgraden er 80 prosent, hvorav 50 prosent er elektrisk energi. Teknologien i anlegget skal kunne brukes i fremtidens gasskraftverk, sier han.

Fordelen med et SOFC-anlegg er blant annet at forholdet mellom varme og elektrisitet kan reguleres etter behov.

Uttaket for elektrisitet kan variere fra mindre enn 40 prosent til over 80 prosent. Varmen fra anlegget kan tas ut fra et temperaturområde mellom 50 og 1000 grader celsius.

Denne varmen kan anvendes til både fjernvarme for privatboliger eller til å integreres i industriprosesser med dampturbiner. I tillegg kan varmen brukes til gassifisering av biomasse, og brukes til utvinning av hydrogen.

Fremtidens kraftverk

Hydrogen pekes ut av mange som fremtidens energibærer, siden det kan erstatte fossile brennstoffer på de fleste områder.

Men hydrogen må produseres fra hydrogenforbindelser i naturen og er en energikrevende prosess. I dag utvikles hydrogen fra naturgass, som gir CO2-utslipp.

Fremtidens brenselcelleanlegg, et såkalt Zero Emission Gas Power-anlegg (ZEG), kan effektivt produsere hydrogen fra varmen fra et SOFC-anlegg, som har et integrert CO2-innfangingssystem.

Ved å anvende det utvunne hydrogenet til PEM-brenselcellemotorer i bil og andre fartøy, vil energi- og miljøgevinsten være betydelig.

Man regner med at halvparten av verdens CO2-utslipp nettopp kommer fra transportsektoren.

- ZEG-konseptet er patentsøkt av CMR Prototech AS og IFE. En 2 kW labdemo blir nå klargjort for uttesting. CMR Prototech AS står for SOFC-systemet og IFE har ansvaret for hydrogenreaktoren og CO₂-fangsten, forteller Vik.

Brenselceller

Brenselceller konverterer kjemisk energi til elektrisitet ved en kontrollert prosess. En brenselcelle kan minne om et batteri, men hvor drivstoff tilføres kontinuerlig.

Cellen består av en porøs katode og anode, som atskilles av en fast elektrolyttmembran. Ved å tilføre luft og gass til hver av de porøse elektrodene, vil gassen og oksygenet diffundere (trenge inn i og blande seg med) gjennom til den aktive delen av henholdsvis anoden og katoden.

Det vil da oppstå en elektrokjemisk prosess som konverterer kjemisk energi direkte til elektrisitet og varme. Man kan serie- eller parallellkoble flere brenselceller i stabler (stacker) til ønsket størrelse, og dermed regulere strøm eller spenning til ønsket nivå.