Energitransporter Bränsleceller för naturgas, väte och metanol

Transkript

1 Energitransporter Bränsleceller för naturgas, väte och metanol Johan Ylikiiskilä Linnea Rading 28 september 2010 Innehåll 1 Inledning 2 2 Frågeställning 2 3 Vad är en bränslecell 2 4 Hur används bränsleceller idag 3 5 Olika sorters bränsleceller PEM-bränsleceller (Proton Exchange Membrane) Fördelar och nackdelar med PEM-bränslecellen Bränsleceller som arbetar vid hög temperatur Fördelar och nackdelar Vätgas Produktion av vätgas från fossila gaser Produktion av vätgas från elektrolys av vatten Framtidsvisioner 8 8 Diskussion 9 A Tentafråga 11 1

2 1 Inledning Bränsleceller kan för många vara ett futuristiskt, främmande eller till och med obekant begrepp. I en värld där energi ofta är ett hett ämne i politik och vardag kan bränsleceller dock vara något som vi kommer få vänja oss vid mer och mer. För vad sägs om ett sätt att tillverka energi på som har vatten och luft som enda utsläpp? Det är klart att denna uppfinning till mångt och mycket fortfarande är på ritborden och som prototyper men vissa bränsleceller används redan i kommersiellt syfte. Denna rapport, som är skriven inom ramen för kursen Energitransporter på LTH, är ämnad att behandla ämnet bränsleceller, närmare bestämt de som drivs av naturgas, väte samt metanol. 2 Frågeställning Då denna rapport i huvudsak är av utredande karaktär kommer frågeställningarna vara ganska breda. De huvudsakliga frågeställningarna har att göra med hur en bränslecell fungerar, inte bara tekniskt men även hur bränslecellen skulle fungera ekonomiskt, miljömässigt och praktiskt i samhället. Är bränslecellen någonting att satsa på eller är de tekniska problemen för svåra att överstiga? Kommer bränslecellen att bli, eller är den redan, kommersiellt gångbar? Om svaret är ja på denna fråga, varför har inte bränslecellen redan en mer framstående roll i energiförsörjningen? Vilken roll förväntas bränslecellen att ha inom energiförsörjningen? Dessa är några av de frågor vi kommer försöka svara på i denna rapport. 3 Vad är en bränslecell En bränslecell påminner till viss del om ett batteri, både batteriet och bränslecellen skapar en potentialskillnad mellan en anod och en katod åtskilda av en elektrolyt. Skillnaden består i att då batteriet lagrar energi med hjälp av kemikalier, t.ex. zink och manganoxid med en elektrolut bestående av kaliumhydroxid, använder bränslecellen ett externt bränsle för att skapa potentialskillnaden. En bränslecell kan därmed huvudsakligen sägas bestå av fyra saker: En anod En elektrolyt En katod Ett bränsle I figur 1 representeras bränslet av H 2, de övriga är markerade med sina engelska översättningar. När bränslet anländer till anoden separeras elektroner från bränslets molekyler så att man har negativa elektroner och positivt laddade bränslejoner. Detta sker med hjälp av en katalysator, t.ex. platinapulver. Denna reaktion sker på gränsskiktet mellan anod och elektrolyt. 2

3 H 2 Anode e - ions + ions Electrolyte + ions + Load Cathode e - O 2 H 2O Figur 1: Principskiss av en bränslecell [8] Elektrolyten är nu vald så att de positiva bränslejonerna passerar igenom till katoden medans elektronerna tvingas kvar i anoden. Med hjälp av detta skapar man en potentialskillnad mellan den nu negativa anoden och den jonfyllda katoden. Denna potentialskillnad leder i sin tur till en ström genom en extern krets representerad av load i figur 1. Väl i katoden används ytterligare en katalysator för att få bränslejonerna och elektronerna att reagera med en tredje ingrediens, vanligtvis luft eller syre som i figur 1. Detta för att skapa en så ofarlig och energistabil (lägre energiinnehåll än bränslet) slutprodukt som möjligt, figur 1 är fallet vatten eller H 2 O. 4 Hur används bränsleceller idag Det finns många visioner om hur bränsleceller kommer att revolutionera energiområdet och detta kommer vi ta upp senare i rapporten. Det är också intressant att veta hur de används idag. Finns det redan idag områden där bränsleceller är standard för energiförsörjning? Inom vilka områden förväntas bränsleceller användas kommersiellt inom en nära framtid? Vi ska genom några exempel försöka belysa dessa frågor. Tekniken och teorin bakom bränsleceller har varit känd i många år. Det första stora användningsområdet har varit inom rymdteknologin där bränsleceller har använts sen 50-talet. I dagsläget finns det många pilotprojekt men ingen stor marknad där bränsleceller har slagit igenom. I Norge så pågår ett projekt där bilar ska drivas på en kombination av bränsleceller och batterier [5]. skriv mer. Det finns enstaka exempel där så kallade stand alone-system försörjer mindre byar med el. Ett exempel är på ön Utsira i Norge där sol- och vindenergi används för att tillverka vätgas som kan lagras och sedan försörja byn med el genom bränsleceller. Stand alone-system är lovande för framtiden eftersom de inte släpper ut miljöfarliga gaser om energin produceras via vind och sol. 3

4 Systemen är också pålitliga och byar dit det är för dyrt för att transportera el på annat sätt kan ha en tryggad energiförsörjning. Ett svenskt företag har i år lanserat ett bränslecellsystem som ska kunna användas för att t.ex. ladda mobiltelefoner. Systemet har en liten behållare med vätgas som kan bytas ut. 5 Olika sorters bränsleceller Det som kategoriserar en bränslecell är vilken typ av elektrolyt som används. Det finns ett tiotal olika typer av bränsleceller men de kan delas upp i övergripande kategorier. Detta arbete ska främst handla om bränsleceller som använder vätgas, metanol och naturgas som bränsle och det är dessa kategorier av bränsleceller som kommer att behandlas i de följande styckena. 5.1 PEM-bränsleceller (Proton Exchange Membrane) PEM-bränsleceller (Proton Exchange Membrane) är bränsleceller vars elektrolyt är i fast form och består av en polymerplast [8]. Membranet släpper igenom protoner då det är fuktigt men är samtidigt isolerande mot elektroner. PEMbränsleceller arbetar vid låga temperaturer, lägre än 80 C [4]. Den vanligaste formen av bränsle är vätgas. Vid anoden delas vätgas upp i vätgasjoner och elektroner. Vätejonerna, som endast består av en kärna, kan tränga igenom elektrolyten medans elektronerna tvingas att gå i en extern bana och producerar elektricitet. Vid katoden rekombineras syre, vätejoner och elektroner och formar vattenmolekyler. Detaljerna för reaktionerna kan ses nedan och en schematisk skiss över en PEM-bränslecell syns i figur 2 [4]. Anodreaktioner: 2H 2 => 4H+ + 4e- Katodreaktioner: O 2 + 4H+ + 4e- => 2 H 2 O Total reaktion: 2H 2 + O 2 => 2 H 2 O Figur 2: Schematisk skiss över en bränslecell [4] En undergrupp till PEM-bränslecellerna är de bränsleceller som använder metanol som bränsle. Det finns två sätt att göra detta på, antingen genom 4

5 att direkt använda metanol som bränsle eller att förs omvandla metanolen till vätgas och sedan använda vätgasen som bränsle. När bränslecellen använder metanol direkt kallas de DMFC (Direct Metanol Fuel Cells). DMFC har mycket lägra verkningsgrad än om vätgas används som bränsle men fördelen är att metanol är mycket enkelt att transportera och att det är ett stabilt ämne under de flesta förutsättningar [7]. Detta medför att DMFC framför allt kan tänkas användas i små bärbara produkter som mobiltelefoner och datorer. Ett problem med DMFC är att metanolen läcker igenom till katoden och att man därmed endast använder sig av ca hälften av bränslet. De bränsleceller som först omvandlar metanol till vätgas kallas RMFC (Reformed Metanol Fuel Cells) [10]. I omvandlingen från metanol till vätgas är biprodukterna koldioxid och vatten. RMFC har större effektivitet än DMFC men kräver t.ex. mer isolering eftersom det sker värmeutveckling i omvandlingen mellan metanol och väte. Metanol innehåller mycket väte och kan omvandlas vid mycket lägre temperaturer än andra kolvätebränslen. Denna typ av bränslecell är under utveckling men finns även som kommersiell produkt. För schematisk bild, se figur 3 [10]. Figur 3: Schematisk bild av en RMFC bränslecell Fördelar och nackdelar med PEM-bränslecellen En stor fördel med PEM-bränslecellen är att den opererar vid låga temperaturer. Detta gör att materialet i bränslecellen håller längre och att man kan använda billigare material i förhållande till de bränsleceller som måste ha höga temperaturer för att fungera.[4] Elektrolyten är ett fast material vilket gör att anoden och katoden är lättare och därmed billigare att innesluta. Avsaknaden av en vätska gör även att bränslecellen inte är lika känslig för hur man placerar den. De låga temperaturerna tillåter även att de startas snabbt. PEMbränslecellen är den bränslecell som producerar mest energi per vikt eller volym bränsle, detta gör bränslecellen kompakt. Alla de nämnda fördelarna gör att PEM-bränslecellen för närvarande är den bästa kandidaten för att driva fordon. PEM-bränslecellen har många fördelar men en nackdel värd att nämna är att elektrolyten måste vara fuktig för att fungera och att den är mycket känslig för förändringar i fukthalten. 5

6 5.2 Bränsleceller som arbetar vid hög temperatur I många typer av bränsleceller sker energiutvinningen vid betydligt högre temperaturer än i PEM-bränslecellen. Detta gör att flera typer av kolväten kan användas som bränsle. Som tidigare nämnts så är det vilken elektrolyt som används i bränslecellen som karakteriserar bränslecellen. En typ av bränslecell kallas SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) och den använder en elektrolyt bestående av YSZ(yttria stabilized zirconia) [13] [4]. Det är inte protoner som går igenom elektrolyten, det är syrejoner. Bränslecellens arbetstemperatur är ca 950 C och denna temperatur krävs för att materialet ska bli genomsläpligt för syrejonerna. Denna typ av bränslecell har en av de högsta effektiviteterna bland de olika typerna av bränsleceller, ca 60%. Eftersom temperaturen är så hög så bildas ånga med stort tryck, om denna ånga används för att driva en turbin kan verkningsgraden bli så hög som 70%. En schematisk bild syns i figur 4 [13]. Figur 4: Schematisk bild över hur en SOFC-bränslecell fungerar MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) är en annan typ av bränslecell som verkar vid hög temperatur. Elektrolysen består av antingen kalium- eller litiumkarbonat och släpper igenom karbonatjoner istället för syrejoner. Arbetstemperaturen är ca 650 grader och denna temperatur krävs för att salterna ska vara ledande. Se figur 5 [4] Fördelar och nackdelar Den självklara fördelen med SOFC är att den kan använda flera olika bränslen såsom metan, propan mfl. Den stora nackdelen är den höga temperaturen som krävs och att det gör det svårt att välja material som klarar av dessa temperaturer [4]. En annan fördel är att man inte längre behöver använda lika dyra material i anoden eftersom det inte behövs för reaktioner vid högre temperaturer. De höga temperaturerna gör att bränslecellen tar lång tid att starta och att det inte går att ändra uteffekt snabbt. För att dessa bränsleceller ska vara användbara så krävs det forskning kring elektrolyten. Det skulle behövas en elektrolyt som släpper igenom t.ex. syrejoner vid betydligt lägre temperaturer. De flesta fördelar och nackdelar som är nämnda för SOFC gäller även för MCFC. 6

7 Figur 5: Schematisk bild över hur en MCFC bränslecell fugnerar 6 Vätgas I denna rapport diskuteras bränsleceller drivna av tre olika bräslen: naturgas, metanol och väte. Naturgas är en fossil gas som man än så länge finner i naturen. Metanol är den lättaste alkoholen och tillverkas från kolmonoxid och vätgas [11] och är även ett väldigt giftigt lösningsmedel. Det mest intressanta av dessa tre är vätgasen då den dels krävs för metanolproduktion och dels för att driva vätgascellen i sig. Då en bränslecell driven på väte bara har vatten som restprodukt är det miljömässigt intressant att se om vätgasen även kan produceras på ett klimatvänligt sätt. 6.1 Produktion av vätgas från fossila gaser Den idag vanligaste källan för vätgas är från fossila kolväten, där den klart vanligaste metoden är ångomvandling av naturgas (eng. steam reforming of natural gas). Denna metod står faktiskt för runt hälften av all vätgasproduktion i världen [2]. Denna metod går ut på att man under höga temperaturer ( C)tillför metan och en katalysator till vattenånga så att följande reaktion uppstår. CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Här uppstår att praktiskt problem för bränsleceller, de flesta kan nämligen förgiftas av kolmonoxid då katalysatorn platina är känslig för denna gas. Därför brukar denna reaktion följas av följande skiftesreaktion som fås genom att en än gång utsätta gasen för vattenånga och andra katalysatorer: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Även med denna process är det tyvärr svårt och dyrt att få bort så mycket kolmonoxid att den resulterande gasen kan driva en bränslecell på ett hållbart sätt. Forskning pågår dock på att dels förbättra ovanstående process samt att hitta katalysatorer i bränsleceller som är mindra känsliga för kolmonoxid. Med denna process kan man med lite räkning producera fyra mol vätgas från ett mol metan, tyvärr producerar denna process även koldioxid. Då man hoppas 7

8 minska koldioxidutsläpp m.h.a. väteceller är detta inte optimalt men forskning pågår för att fånga upp koldioxiden i anläggningar som tillverkar vätgas på detta sätt [2]. 6.2 Produktion av vätgas från elektrolys av vatten Att tillverka vätgas från fossila gaser är, som hörs på namnet, inte ett förnybart sätt att tillverka vätgas på. En annan teori bygger på att vatten som även det innehåller mycket väte. Om man till det lägger till att väteceller har vatten som restprodukt blir det mer som att man bara lånar vätgas från vattnet och ett mycket hållbart alternativ börjar kristalliseras. Den metod som används idag är elektrolys vilken i princip bygger på att man med hjälp av energi sliter isär vatten molekyler i följande process: 2H 2 O + energi -> 2H 2 + O 2 Då energi krävs i denna process kan det mer tolkas som en slags energitransport än energiproduktion. Energi från till exempel vindkraft används till att bilda vätgas som sedan transporteras till den plats där energin behövs. De elektrolysapparater som används idag bygger på antingen alkalimetaller eller polymermembran. Värt att nämna är att elektrolys m.h.a. polymermembran i princip är samma process som i en PEM bränslecell fast baklänges. Dagens väteproduktion eller väteceller är tyvärr inte så effektiva att denna metod kan konkurrera med t.ex. lagring i batterier. Där ett batteri kan återge 90 procent av energin den laddas med kan processen energi-vätgas-energi bara återge ungefär procent. Då vätgas i vissa fall är lättare att lagra (t.ex. vid rymdfärder) är detta alternativ redan intressant i vissa fall. [2] Ett transportera energi med hjälp av vätgas kallas för vätgasekonomi vilket är en vision av ett framtida, mer hållbart samhälle. 7 Framtidsvisioner I denna sektion tänkte vi prata om några framtidsvisioner eller projekt som på något sätt innefattar eller bygger på bränsleceller. Eftersom transporter släpper ut mycket koldioxid är vätgasdrivna bilar ett intressant alternativ. Konventionella batterier är i nuläget mer effektiva men är tunga och tar tid att ladda. En kombination där bränslecellen laddar batterier under färd visar sig dock vara lovande. Många stora bilproducenter har lovat att producera bilar som bygger på bränsleceller till år 2015 så denna framtidsvision kan komma inom bara ett antal år [6]. Vätgasekonomi var något som nämndes under sektionen om vätgas. Detta innebär i princip att det ovanstående exemplet dras till sin spets och transportindustrin och andra sektorer använder sig av väte, istället för petrokemiska produkter som idag, för att transportera energi. Detta hänger på att man hittar ett hållbart och effektivt sätt att producera vätgas samt att vätecellerna blir mer hållbara och effektiva. Men idén om ett samhälle som bygger på vätgas och därmed bara släpper ut vatten är onekligen en intressant vision [9]. 8

9 En annan mer futuristisk vision står interstate traveller för i USA. De har som idé att bygga ihop ett distributionsnät för vätgas och kombinera det med ett nät av mag-rail spår. Mag-rail är en teknik som bygger på att fordon färdas på en magnetisk räls utan någon större friktion. Denna räls skulle då vara sammankopplad med vätgastransporten, ligga ovan jord, och dessutom bevattna odlingar med fordonens avgaser som ju är vatten. Detta är som sagt väldigt futuristisk men ändå ett bra exempel på vad bränsleceller kan göra med transporter om de blir tillräckligt bra [3]. 8 Diskussion En av de första frågorna vi ställde oss var hur en bränslecell fungerar rent tekniskt, denna fråga har vi besvarat i rapporten. En svårare fråga att besvara är hur och om den fungerar i samhället och eftersom vi tycker att det är den viktigaste frågan kommer vi att fortsätta att resonera kring denna frågeställning. Det vi har insett genom att skriva detta arbete är att bränsleceller inte kommer att lösa jordens energiförsörjningsproblem men erbjuder ett nytt sätt att lagra och transportera energi. När energi framställs från vätgas i en vätgascell så är vatten den enda biprodukten. Detta låter som ett helt rent sätt att producera el, men för att producera vätgas krävs energi och om den energiproduktionen har utsläpp så har indirekt även vätgascellen det. Om energin för att producera vätgas framställs ur förnyelsebara energikällor så finns inte det problemet. Fortfarande kvarstår faktum att man skulle kunna använda denna energi direkt istället för att gå via bränsleceller och därigenom förlora 70% av energin. Varför forskars det då fortfarande så mycket kring vätgasbränsleceller? Det finns tillämpningar där det är fördelaktigt att använda sig av vätgasbränsleceller istället för att använda elen direkt, t.ex. bilar kan tankas mycket snabbare med vätgas än tiden det tar att ladda ett batteri. Bränsleceller kan dessutom användas på ställen som inte har tillgång till elnät och detta gäller faktiskt fortfarande för en stor del av jordens befolkning. Tekniken är idag dyr och för att bli tekniken ska bli kommersiellt gångbar krävs det att ytterligare forskning för att få ner elpriset. När bränsleceller drivs av metanol eller naturgas så är situationen en annan. Drivmedlet är ett fossilt bränsle och den stora frågan är istället om man kan få ut mer energi ur bränslet genom en bränslecell och hur stora utsläppen av växthusgaser blir. Då ingen förbränning sker i en bränslecell går mer energi åt att direkt driva hjulen än i en explosionsmotor. Den teoretiska verkningsgraden är dessutom högre de ingen förbränning är inblandad. I diskussionen har vi redogjort för ett antal möjliga användningsområden för bränsleceller, vad är det då som gör att de inte används i större utsträckning än vad de gör? Anledningen är att det fortfarande finns många problem att lösa. På grund av materialproblem slits bränsleceller för snabbt för att vara gångbara idag. De material som används för att konstruera bränsleceller är dessutom väldigt dyra, t.ex. platina, vilket bidrar till det höga energipriset. I den närmsta framtiden kommer bränsleceller antagligen mer vara ett nytt sätt att utvinna energi ur naturgas och lätta biobränslen, Senare kommer den också vara ett led i en ny sorts bränsletransport byggande på vätgas, väteekonomi. Går man ännu längre fram kan det kanske finnas möjlighet för bränsleceller att 9

10 producera energi. För det krävd det dock en teknik för att framställa vätgas från t.ex. bakterier och solljus utan att gå omvägen över elektricitet. Referenser [1] D. C. C. Barrañon. Methanol and hydrogen production - energy and cost analysis. Master s thesis, Departement of Applied Physics and Mechanical Engineering, Division of Energy Systems - Luleå university of technology, [2] Bellona. Report 6:02, "hydrogen - status and possibilities". Bellona-HydrogenReport.html. [3] I. T. Company. Interstate traveler company. interstatetraveler.us/. [4] T. U. D. of Defense: Fuel Cell Test and E. Center. Proton exchange membrane fuel cells (pemfc). urlhttp:// [5] V. Sverige. Aktuellt. [6] V. Sverige. Vätgas som fordonsbränsle. vaetgas-som-fordonsbraensle. [7] Wikipedia. Direct methanol fuel cell. Direct-methanol_fuel_cell. [8] Wikipedia. Fuel cell. [9] Wikipedia. Hydrogen economy. Hydrogen_economy. [10] Wikipedia. Indirect methanol fuel cell. Indirect_methanol_fuel_cell. [11] Wikipedia. Methanol. [12] Wikipedia. Molten cabonate fuel cell. Molten_carbonate_fuel_cell. [13] Wikipedia. Solid oxide fuel cell. oxide_fuel_cell. 10

11 A Tentafråga Förklara kortfattat hur en bränslecell driven på väte fungerar och även kort hur en effektiv sådan skulle kunna användas. 11