Utvikler brenselceller til lastebiler

En motor på tomgang er en skikkelig CO2-synder. Danske forskere jobber med brenselceller til lastebiler som kan levere strøm til langtursjåføren. 

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

Hva er en brenselcelle?

Brenselceller konverterer den energien som er bundet i et drivstoff til elektrisitet.

Det skjer mer effektivt enn ved den tradisjonelle mekaniske metoden.

I en dieselmotor varmer man opp drivstoffet slik at det blir en liten eksplosjon som kan få et mekanisk stempel til å gå opp og ned.

Den mekaniske bevegelsen kan gjøres om til elektrisitet via en generator.

Prinsippet om å konvertere mekanisk bevegelse til elektrisitet er det samme i alt fra motorer, dynamolykter og vindmøller.

I en brenselcelle kan man hoppe over leddet med mekanisk arbeid og utvinne elektrisitet direkte fra drivstoffet. Derfor blir virkningsgraden langt høyere.

Prinsippet bak brenselceller handler om å skille protonene og elektronene i drivstoffet.

Brenselcellen består av en anode og en katode, som blir skilt av en elektrolytt. Elektrolytten består av et materiale som bare tillater ioner å passere – ikke hele molekyler.

Slik virker SOFC-teknologien

Man leder luft til katoden. Her spaltes oksygenet i luften og det tilføres elektroner, slik at det dannes oksygen-ioner (O2-).

Oksygen-ionene vandrer deretter gjennom elektrolytten og danner dermed elektrisk strøm.

På anodesiden reagerer oksygen-ionene med drivstoffmolekylene. Det frigir de elektronene som igjen brukes til å danne nye oksygen-ioner.

Produktet av denne prosessen er strøm og varme.

Mange forbinder brenselceller med energi fra rent hydrogen.

Men SOFC-teknologien kan konvertere energi effektivt fra et hvilket som helst drivstoff, både biobrensel og tradisjonelle fossile drivstoff.

Teknologien tilpasses bare etter energikilde.

En av ulempene med SOFC-teknologien er at noen av materialene som brukes i dag er nokså kostbare.

Man bruker disse materialene fordi de kan tåle høye temperaturer, noe som er nødvendig hvis spaltingen og vandringen gjennom elektrolytten skal være rask og effektiv.

Hvis temperaturen kan senkes, slik at den holder seg under 600 grader, kan man bruke billigere materialer av metall i brenselcellen, eksosrøret og så videre.

Det kan være med på å redusere prisen, slik at den blir konkurransedyktig.

Siden lavere temperatur vanligvis betyr lavere ytelse, er den store forskningsmessige utfordringen å finne fram til materialer som tillater en rask reaksjon selv ved lave temperaturer.

Risø DTU og Topsoe Fuel Cell bruker nanoteknologi for å utvikle den tynne filmen som kan omgi elektrolytten.

Når et materiale med de rette egenskapene er funnet, må det gjøres tykt og slitesterkt. Fra nanometer til mikrometer.
 

«On the road again …» Når langtursjåføren tar seg en av sine lovpålagte hvilepauser, må temperaturen holdes lav i kjølevognen og høy i kaffemaskinen. For å få elektrisitet kjører motoren på tomgang.

Motoren må også jobbe når seilentusiasten og camperen skal ha strøm til båten og til campingvognen. I mange situasjoner brukes motorer som små minikraftverk. Det koster drivstoff, og det forurenser.

Nå håper danske forskere å erstatte tomgangen med små, høyeffektive brenselcelleanlegg, som kan installeres direkte som en komponent i bilen eller båten. Såkalte SOFC – solid oxide fuel cells, eller på norsk: fastoksid-brenselceller.

Effektive brenselceller

Brenselcellene fôres med diesel og konverterer drivstoffet til elektrisitet og varme. Det gjør for så vidt motoren også, men poenget er at brenselceller er langt mer effektive.

– Ved å bruke SOFC-er istedenfor motorer til å konvertere diesel til energi, kan man øke virkningsgraden vesentlig. Det brukes derfor mindre drivstoff. Samtidig unngår man at det dannes ultrafine sotpartikler og NOx, forteller Søren Linderoth, professor ved Risø DTU.

Og det er ikke bare de som liker å reise som kan få glede av teknologien. Mange små sykehus, hoteller og nødhjelpsleirer, som ligger utenfor den vanlige strømforsyningen, kan nyte godt av brenselceller fremfor motordrevene generatorer.

Dessuten vil det på sikt være mulig for husholdningene å gå over til egen strømproduksjon og skifte ut olje- eller gassfyr med et minibrenselcelleanlegg.

– SOFC-teknologi gir store muligheter, og i Danmark har vi kompetansen til å være blant de beste i verden. Dette er forskning som kan redusere bruken av drivstoff og øke framstilling av miljøvennlig strøm i mange sammenhenger, forsikrer Linderoth.

Fleksibel teknologi

Her og nå rettes utviklingen av SOFC-teknologi mot bruk av vanlig drivstoff, for eksempel naturgass og diesel, og det er et viktig poeng, understreker Helge Holm-Larsen, direktør for forretningsutvikling i bedriften Topsoe Fuel Cell.

I samarbeid med Risø DTU er denne bedriften den ledende drivkraften i utviklingen av SOFC-teknologien.

– Med den infrastrukturen av forsyningskilder vi har i dag, kan vi ikke bare gå over til fornybare energikilder fra en dag til en annen. Derfor er det viktig å utnytte de drivstofftypene som nå en gang finnes, og som vanlige folk kan få tak i – bare mer effektivt, sier han.

De første lastebilene med SOFC-teknologi forventes å være klare i 2013, mens private minianlegg forventes å komme ned i et prisnivå hvor vanlige mennesker kan følge med omkring 2014.

Heller i dag enn i morgen

Men når man utvikler teknologi som fremdeles baserer seg på fossile brennstoff, tas ikke fokuset vekk fra alternativ energi?

På lengre sikt, når alternative energikilder blir lettere tilgjengelige, vil brenselcellene også bli tilpasset disse. For prinsipielt kan de drives av alt fra biomasse, bioetanol og hydrogen.

– Brennstoffet kan godt være fra fornybar energi, forteller Søren Linderoth fra Risø DTU, og nevner biogass og bioetanol som eksempler.

De alternative brennstoffene blir imidlertid ikke brukt i de eksisterende motorene og krever derfor et lengre samarbeid med bilindustrien.

Istedenfor å vente på den perfekte løsningen, er det etter hans mening bedre å gå i gang med å spare på de tradisjonelle brennstoffene allerede nå.

Vil lage syntetisk drivstoff

– Vi forsker også på å lage syntetisk brensel fra vindmøllestrøm, solcellestrøm og bølgekraft ved hjelp av effektiv elektrolyse av vann og CO2. På den måten kan vi lage syntetiske drivstoff (for eksempel hydrogen) fra fornybar energi, som deretter brukes i brenselceller.

- Brenselcellene kan for eksempel levere strøm når vinden står stille, og når det er mye vind, kan vi lage syntetisk brensel av strømmen, forklarer han.

Han legger også vekt på at prosessen er langt mindre miljøbelastende, fordi den foregår ved lav temperatur.

Det betyr farvel til partikler og svovelforbindelser. De usjarmerende nitrogenoksidene (NOx), som bidrar til forsuring av naturen og dannelse av ozon, blir også sterkt redusert ved bruk av SOFC.

Renere luft

Med SOFC-teknologi kan atmosfæren spares for mye CO2. Også uregjerlige sotpartikler og NOx-er blir sjeldnere bidragsytere til luftforurensingen.

Når lastebilsjåføren lar motoren stå på tomgang, er virkningsgraden mindre enn 10 prosent. Det vil si at bare en tiendedel av energien som dieselen inneholder, blir omdannet til elektrisitet.

Med SOFC-teknologi blir virkningsgraden på over 45 prosent. Jo høyere virkningsgrad, jo mindre drivstoff må man bruke. Derfor fører bruken av SOFC til at det brukes mindre drivstoff.

Det samme gjelder for olje- og gassfyrer, hvor det kan spares i størrelsesordenen ett tonn CO2 per år per husstand ved installasjon av et mikrovarmeenhet med SOFC-teknologi.

(Illustrasjonsfoto: www.colourbox.com)
(Illustrasjonsfoto: www.colourbox.com)

Så mye CO2 spares

På kort sikt vurderer man at SOFC kan gi en reduksjon av CO2-utslipp på mellom 3 og 6 millioner tonn i perioden 2010-2015.

Etter 2015, hvor teknologien for alvor kommersialiseres, håper Topsoe Fuel Cell at det globale utslippet vil reduseres med 15 millioner tonn i året - det betyr en samlet akkumulert reduksjon i løpet av perioden 2015-2020 på over 300 millioner tonn.

Til sammenligning ble det i Danmark sluppet ut om lag 53 millioner tonn CO2 i 2007.

Siden utslippene fra en brenselcelle er rene, det vil si bare inneholder CO2 og vann, kan CO2-en lett samles opp og kombineres med andre teknologier. Det kunne være underjordisk lagring eller CO2-elektrolyse.

Et nytt industri-eventyr

(Illustrasjonsfoto: www.colourbox.com)
(Illustrasjonsfoto: www.colourbox.com)

Det er dyrt å utvikle SOFC. Finpussingen som skal få teknologien ut av laboratoriet og inn i lastebilene, krever et dypt inngrep i lommeboken.

Bare til forskning og utvikling – altså før det i det hele tatt er bygget produksjonsanlegg, forventer Risø DTU og Topsoe Fuel Cell at det blir brukt over 650 millioner danske kroner.

Til gjengjeld er det ingen tvil om at hvis man lykkes med å komme først med kommersielle brenselceller, vil det bli store smil i dansk økonomi.

– Vi håper å oppnå samme suksess i Danmark som vi har hatt med vindmøller, forteller Helge Holm-Larsen, direktør for forretningsutvikling i Topsoe Fuel Cell.

Bedriften anslår at markedspotensialet for produksjon av små mikrovarmekraftanlegg og lastebiler med brenselceller på sikt vil gi minst 10 milliarder kroner i året i salg og eksport.

Det tilsvarer et årlig salg på 100 000 små, desentraliserte anlegg og 200 000 lastebiler med innebyggede brenselceller.

(Illustrasjon: U.S. Department of Energy)
(Illustrasjon: U.S. Department of Energy)

Danmark i teten

– Vi har jobbet med SOFC i 15 år, og ingen er kommet like lang som oss når det gjelder slitestyrke, levetid og effektivitet. Vi har derfor en unik mulighet for å forankre SOFC-teknologi i Danmark, blant danske bedrifter, forteller Holm-Larsen.

Tanken er at den nye kunnskapen kan skape forretningsmuligheter innen andre industrier, for eksempel elektronikk, systemkomponenter, generatorer og elektrolyseapparater.

Det gir ikke bare muligheter for danske produkter, men også teknologieksport til andre av verdens mange industrier.

______________________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.
 

Lenker:

Topsoe Fuel Cell

Risø DTU

 Søren Linderoths profil

Risø DTU: Fuel Cells and Solid State Chemistry Division

minihydrogen.dk: Animasjon: Hvad er en brændselcelle

U.S. Department of Energy: Types of Fuel Cells

Powered by Labrador CMS