Lärarhandledning: Vätgas med fokus på transport
The Blue Move for a Green Economy är ett project inom Interreg ÖKS för att främja produktion, distribution och användning av vätgas från förnybar energi. Projektnamn: The Blue Move for a Green Economy Finansiering: Den här utbildningen stöds av Europeiska Regionala Utvecklingsfonden Interreg ÖKS och Region Skånes miljövårdsfond. Utgiven av: Kommunförbundet Skåne, 2017, www.kfsk.se Redaktörer: Anna Tibbelin och Bengt Drakenberg, Kommunförbundet Skåne Design: Clavis Communications Referensgrupp: Vätgas Sverige, Kunnskapsbyen Lilleström (Norge), SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, Malmö Museer, två tonåringar och två vuxna. Utbildningar t.o.m. september 2017 i Skåne. Utbildningarna hålls inom det EU-finansierade ÖKS-projektet the Blue Move for a green Economy och medfinansieras av Region Skåne.
Lärarhandledning: Vätgas med fokus på transport: Bakgrund Vätgasutbildningen för högstadieelever har tagits fram av Kommunförbundet Skåne (2017) inom ramen för Interreg ÖKS-projektet The Blue Move for a Green Economy. Referensgrupp har varit: Vätgas Sverige Kunnskapsbyen Lilleström (Norge) SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut Malmö Museer Två tonåringar Två vuxna Utbildningen är framtagen för att lärare ska kunna höja elevkunskapen om vätgas genom att använda sig av den i sin undervisning. Koppling till läroplanen (LGR 11) Geografi: Förnybara energitillgångar, till exempel sol- och vindenergi och alternativa drivmedel Klimatförändringar. Teknik: Hur tekniska lösningar kan bidra till hållbar utveckling. Fysik: Sätt att lagra energi Tänkbara möjligheter för energianvändning i framtiden Kemi Hur en hanterar kemikalier och brandfarliga ämnen på ett säkert sätt Människans användning av energi- och naturresurser lokalt och globalt samt vad det innebär för en hållbar utveckling. 3
Vad är väte? Utan väte finns det inte liv på jorden! Universum beräknas bestå av 75% väte. Väte är både det vanligaste och det lättaste grundämnet i universum. Väte består av 1 väteatom innehållande en proton och en elektron. (TIPS: Visa periodiska systemet). Elektron - Proton + Vid rumstemperatur och normalt tryck är väte gasformigt. Vätgas består av två väteatomer och har den kemiska beteckningen H 2. Väte övergår till flytande form vid 253 grader Celsius. Väte är visserligen universums vanligaste grundämne, men det är nästan alltid bundet i någon form, först och främst till syre i vatten. Syret och vätet i vatten är inte alldeles lätta att sära på, så för att kunna använda sig av vätgas behöver en framställa det. Universum beräknas bestå av 75% väte, räknat som massa, trots att väte är den lättaste av alla atomer. Vätgas en energibärare Även om det finns mängder med väte i universum kan en alltså inte fånga in rent väte. Vätet måste frigöras ur de föreningar som det är bundet till. Vätet innehåller mycket energi, men behöver bearbetas till vätgas för att vi ska kunna frigöra energin. Vätgas är alltså inte en primär energikälla, utan människan måste framställa vätgasen för att energin ska kunna användas. Vätgasen bär energi och kan användas för att lagra, transportera och leverera energi. Fråga: Vilka primära energikällor finns? Svar: Biomassa, uran, naturgas, olja, kol, vindenergi, vattenkraft, solenergi. Vätgas kan produceras ur alla typer av energikällor. Källor för vätgasframställning Till höger listas energikällor som kan användas som källa för framställning av vätgas. Det är viktigt att vätgasen framställs från förnybara energikällor så att miljöbelastningen i produktionen blir så låg som möjligt. Sol, vind, vatten och biomassa: El från förnybara energikällor kan omvandlas och lagras som vätgas. Dessa energikällor är till naturen ojämna och innebär att de kanske inte alltid producerar el när samhället behöver den. Vätgas kan fungera som en metod för mellanlagring. I Skandinavien är det vanligast att framställa vätgas till tankstationer för fordon från förnybara energikällor. Naturgas och biogas: Omvandling av naturgas är det vanligaste sättet att framställa vätgas till industrin på. Även biogas, som har lägre utsläpp av växthusgaser, kan omvandlas till vätgas. Olja och kol: Vätgas kan framställas genom oxidation av olja och/eller förgasning av kol. Kärnkraft: Vätgas kan framställas ur el från kärnkraft. I framtiden kan det också bli möjligt att tillverka vätgas direkt från värmen i kärnkraftverken. Industri: Stora mängder vätgas uppstår som en biprodukt inom kemisk industri, till exempel klortillverkning. 4
Användningsområden Vätgasen används främst inom industrin men i framtiden kan den spela en viktig roll även inom andra områden. Fordon För att driva en bil med vätgas krävs en bränslecell. Bränslecellen omvandlar vätgas till el som driver en elmotor. Avgaserna är rent vatten. Bränslecellstekniken i kombination med vätgas kan också användas till båtar av varierande storlek, tåg och lastbilar. Bärbara Apparater Vätgas kan tillsammans med en bränslecell användas till att ladda bärbara apparater, exempelvis mobiltelefoner eller datorer. Användaren blir då oberoende av ett elnät. Reservkraft Vätgas och bränsleceller används redan i dag som reservkraft till samhällskritiska funktioner så som sjukhus, serverhallar och basstationer inom telekom och IT. Industri Inom industrin används vätgas som råvara, till exempel för att producera diesel, bensin, konstgödsel och metanol. Vatten ur avgasröret Väte är universums minsta grundämne, men det kan faktiskt ge ett alternativ till lösning på ett av mänsklighetens stora problem, nämligen utsläppen från den ständigt ökande trafiken. Fordonen drivs vanligtvis av bensin och diesel som ger utsläpp av växthusgaser och även sådant som är dåligt för närmiljön: sotpartiklar och kväveoxider (kallas ofta NO X ) Världen måste minska sina utsläpp av växthusgaser, främst CO 2, för att inte klimatet ska förändras. Därför är det viktigt att få fram alternativa drivmedel för fordon. Fordon som kör på vätgas har bara rent vatten som utsläpp genom avgasröret. Andra alternativa drivmedel är biogas och batterielbilar. CO 2, NO X och sotpartiklar från bensinbilar H 2 O från vätgasbilen Framställning från källan Det finns flera olika metoder att framställa vätgas på. Elektrolys, reformering och förgasning. Nedan fokuserar vi på elektrolys eftersom det används när källan är förnybar el. Reformering är en process där naturgas och biogas omvandlas till vätgas och innebär att het vattenånga blandas med gas i en reaktor. Förgasning är en metod som omvandlar kolhaltigt material till gas under högt tryck och hög temperatur. 5
Fokus elektrolys Det är viktigt att vätgasen framställs från förnybara energikällor så miljöbelastningen i produktionen blir så låg som möjligt. Från förnybar el kan vi med hjälp av tekniken elektrolys framställa vätgas. Elektricitet från exempelvis vind-, sol- eller vattenkraft, används för att dela upp (spjälka) vatten till vätgas och syrgas. Elektrolys är ett tillverkningssätt som har en del förluster. El Syrgas O₂ Vatten H₂O Vätgas H₂ Vatten H₂O Bränslecellsbilen När det talas om vätgas som energibärare är det ofta som drivmedel. De flesta stora biltillverkare ägnar mycket resurser åt att ta fram elbilar med bränsleceller som kan serieproduceras på ett ekonomiskt sätt, och en handfull har redan börjat serietillverka (Hyundai, Honda, Mercedes [2017] och Toyota). Den vanligaste tekniklösningen i vätgasdrivna bilar är att ha ett batteri och en bränslecell som kompletterar varandra. Elfordon med bränsleceller som drivs av vätgas, FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle), är den fordonstyp som internationella biltillverkare ser som den långsiktiga lösningen för persontransport. En bränslecellsbil ger stora miljöfördelar jämfört med en bensin- eller dieselbil förutsatt att produktionen av vätgas inte medför en stor miljöbelastning. En bränslecell är ungefär dubbelt så energieffektiv som en förbränningsmotor om den används i en vanlig bil. Det innebär att med samma mängd energi blir körsträckan med en bränslecellsbil omkring dubbelt så lång som den blir med förbränningsmotor. Ytterligare en fördel med bränslecellsbilar är att de, liksom andra elfordon, är mycket tysta. Om trafiken i framtiden domineras av sådana här fordon skulle det ha en fantastisk inverkan på vår stadsmiljö, både med tanke på luftkvalitet och buller. Tanka vätgas vätgasen transporteras via tuber till bränslecellen bränslecellen omvandlar vätgas till el bilens elmotor drivs av elen (och ett litet batteri) vätgasen i tanken tar slut Tanka vätgas Bilen (FCEV) FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle Bränslecellsbil = elbil med en vätgastank Räckvidd: Ca 50-80 mil Tankas på 3-4 minuter Bränslecellen Omvandlar vätgas till el Genererar el till motorn Genererar el så länge det finns gas Inga partiklar, NO X eller CO 2 6
tankning och infrastruktur En av de regioner som har kommit längst när det gäller infrastrukturen för vätgas som fordonsbränsle är Kalifornien. Läs gärna mer om deras satsningar på California Fuel Cell Partnerships hemsida (cafcp.org). Även Japan och Sydkorea är länder med ambitiösa planer för utbyggnad av vätgastankstationer, där det redan nu finns en hel del stationer byggda. Här i Europa är det Tyskland som går i täten. Där satsar staten och näringslivet tillsammans en miljard euro på forskning och marknadsintroduktion av vätgas och bränsleceller. Läs gärna mer på Clean Energy Partnership, (cleanenergypartnership.de). Även Storbritannien har på sistone ökat takten betydligt när det gäller infrastruktur för vätgas. I Sverige finns tankstationer i Göteborg, på Arlanda, i Sandviken och i Mariestad. I Malmö fanns till september 2016 en tankstation, men den är stängd eftersom den bara hade ett tillfälligt bygglov. Region Skåne tillsammans med andra aktörer undersöker möjligheterna för en ny tankstation som drivs av kommersiella aktörer. Fördjupad info: Biohytan är biogas med en inblandning av vätgas (8 30 volymprocent). Den kan användas i alla gasfordon med förbättrad körbarhet och minskade utsläpp som resultat. Fördjupad info: Elektrolysörer används idag vid flera av de norska tankstationerna för vätgas. Även vid de danska vätgasstationerna används den här metoden för att producera vätgas. En fördel med detta, förutom den förnybara energikällan, är att vätgasen produceras där den används. Därmed slipper man transportera drivmedlet till stationen, som man måste göra till vanliga bensinmackar. Bränslecellen omvandlar Katalysator Membran Katod För att kunna använda vätgas i bilen behövs en energiomvandlare. En bränslecell är en energiomvandlare som på ett effektivt sätt kan användas för att göra om vätgasens kemiska energi till elektricitet. För att en bränslecell ska fungera måste man hela tiden tillföra bränsle. En bränslecell producerar cirka 0,7 volt. För att få en högre spänning kombineras många separata bränsleceller i en stack. En bränslecell har en anodsida och en katodsida som separeras med ett membran. På anodsidan delar en katalysator upp väteatomerna i protoner och elektroner. Anod Effektivitet Cirka 30 40 procent av energin förloras i processen källa till användning. Effektiviteten ökar dock kontinuerligt och metoden ges stor betydelse på sikt. Syrgasen som alstras samtidigt kan användas till annat. Gasen är mycket ren. Vad innebär 0,7 volt? 0,7 volt är spänningen på elen. En kan förklara så här: bilen behöver en viss effekt för att rulla, vi säger 100 Watt för enkelhetens skull. För att få 100 W om vi har en spänning på 0,7 volt behöver vi en viss mängd ström, eller ampere som det heter. En låg spänning innebär mycket ström, och mycket ström innebär tjockare elkablar. Därför sätter en ihop flera bränsleceller för att öka spänningen och minska mängden ström som behövs för 100 Watt. 7
Elproduktion i bränslecellen För att sammanfatta: En bränslecell används för att omvandla kemisk energi i form av ett bränsle och ett oxidationsmedel till elektrisk energi. Bränslet är exempelvis vätgas och oxidationsmedlet är exempelvis syre från luften. Om bränslecellen drivs av vätgas och syrgas så reagerar dessa och omvandlas till elektricitet och värme. Bränslecellen har en anod som är positivt laddad och en katod som är negativt laddad. De sitter på varsin sida av en elektriskt ledande lösning - en elektrolyt. 1. Vid anoden leds vätgas in. 2. Vid katoden tillförs syre. 3. Vätet delar sig till vätejoner och elektroner genom katalytisk reaktion. 4. Elektronerna vandrar över till katoden via ledaren och bildar en elektrisk ström. 5. Vätejonerna passerar genom elektrolyten 6. Syremolekylen delar sig till syrejoner när den kommer i kontakt med de fria elektronerna. 7. Vätejonerna förenar sig med syrejoner så att vatten bildas. 4 1 3 6 Anod + Elektrolyt Katod - 5 2 För att reaktionen mellan vätgas och syrgas i en bränslecell ska gå kontrollerat tillväga, och ge el, behövs ädelmetallen platina. Platina är det allra bästa materialet för att tämja den våldsamma reaktionen mellan syrgas och vätgas. Oturligt nog är platina dyrare än guld och tillgången begränsad. Forskning kring andra material pågår. Säkerhet En specifik blandning av vätgas (H2) och syrgas (O2) kallas för knallgas. Om blandning tänds på blir det en explosion (knall) och mycket energi frigörs. Risken har hanterats av fordonstillverkare så, även om mycket exceptionella situationer kan uppstå, finns det ingen anledning att sammankoppla knallgas med bränslecellsbilar. Det är dock viktigt att alltid vara försiktig när en hanterar bränslen! Vem arbetar med vätgas? När vätgas och bränsleceller ersätter fossila bränslen och traditionell förbränningsteknik växer en ny industri fram. Det innebär efterfrågan på nya komponenter, system- och marknadslösningar. Möjligheterna för regional utveckling och nya arbetstillfällen är stora. Fordonstillverkare Bränslecellstillverkare Gasbolag som producerar och transporterar vätgas Tankstationstillverkare, tankstationsoperatörer Industrier som använder vätgas som råvara, t.ex. produktion av ammoniak, läkemedel, eller vid oljeraffinaderier. Industrier som får vätgas som en biprodukt Reservkraftsoperatörer (telenätet, elförsörjning etc) Fordonstillverkare, bilförsäljning, bilverkstäder 4 bilmodeller 2016 2016 finns fyra bilmodeller på den svenska marknaden: Hyundai ix35 Toyota Mirai Honda FCV Renault Hykangoo. 8
Från källa till användare 1 Källor Vätgas kan utvinnas ur alla energikällor. Sol, vind, vatten och biomassa El från förnybara energikällor kan omvandlas och lagras som vätgas. När energibehovet ökar kan vätgasen omvandlas till el igen. I Skandinavien är det vanligast att framställa vätgas till tankstationer för fordon från förnybara energikällor. Naturgas och biogas Omvandling av naturgas är det vanligaste sättet att framställa vätgas till industrin på. Även biogas, som har lägre utsläpp av växthusgaser, kan omvandlas till vätgas. Olja och kol Vätgas kan framställas genom oxidation av olja och/eller förgasning av kol. Kärnkraft Vätgas kan framställas ur el från kärnkraft. I framtiden kan det också bli möjligt att tillverka vätgas direkt från värmen i kärnkraftverk. Industri Stora mängder vätgas uppstår som en biprodukt inom kemisk industri, till exempel vid klortillverkning. H 2 Vätgas från källa till användning Idag används vätgas främst inom industrin. På många håll i världen, bland annat i Sverige, börjar den dessutom användas som fordonsbränsle, med rent vatten som enda utsläpp. En av vätgasens fördelar är att den kan framställas från alla energikällor, såväl förnybara som fossila och kärnkraft. 2 Produktion Det finns flera olika metoder att producera vätgas. Elektrolys El kan omvandlas till vätgas med hjälp av vatten som spjälkas upp i väte och syre, så kallad elektrolys. Reformering Naturgas och biogas omvandlas till vätgas i en process som kallas reformering. Het vattenånga blandas med gas i en reaktor. Förgasning Förgasningen omvandlar kolhaltigt material till gas under högt tryck och hög temperatur. Gasflaskor Vätgas komprimeras till 30-700 bars tryck och förvaras i gasflaskor. 3 Lagring Vätgas kan lagras på flera sätt. Metallhydrider Vätgas kan lagras i vissa metaller under tryck. Metoden ger ett relativt högt energiinnehåll, men metallhydriderna blir tunga. Ledning Trycksatt vätgas kan distribueras i ledningar, men också lagras där när den inte behövs. Sverige har inget utbyggt vätgasnät i dag. 5 Energiomvandling För att göra vätgas till el eller värme krävs att den omvandlas i en bränslecell, förbränningsmotor eller gasturbin. Bränslecellen har en hög verkningsgrad. Bränslecell Gasturbin Kyltankar Vid -253 grader Celsius blir vätgas flytande och förvaras då i kryotankar. Förbränningsmotor 4 Distribution Vätgasen transporteras främst med last- eller tankbil till användarna. Lastbil och tankbil Små mängder vätgas är mest kostnadseffektivt att distribuera med bil. Användning 6 Vätgasen används främst inom industrin, men i framtiden kan den spela en viktig roll även inom andra områden. Fordon För att driva en bil med vätgas krävs en bränslecell. Bränslecellen omvandlar vätgas till el som driver en elmotor. Avgaserna är rent vatten. Bränslecellstekniken i kombination med vätgas kan också användas till båtar av varierande storlek, tåg och lastbilar. Bärbara apparater Vätgas kan tillsammans med en bränslecell användas till att ladda bärbara apparater, exempelvis mobiltelefoner eller datorer. Användaren blir då oberoende av ett elnät. Reservkraft Vätgas och bränsleceller används redan i dag som reservkraft till samhällskritiska funktioner så som sjukhus, serverhallar och basstationer inom telekom och IT. Industri Inom industrin används vätgas som råvara, till exempel för att producera diesel, bensin, konstgödsel och metanol. Sammanfattning: Idag används vätgas främst inom industrin. På många håll i världen testas den nu bland annat som fordonsbränsle. En av vätgasens fördelar är att den kan framställas från alla energikällor, såväl förnybara som fossila och kärnkraft. Här är en bild som beskriver hur vätgasen framställs till var den används. Vätgas kan framställas ur: Sol, vind, vatten och biomassa. Naturgas och biogas: Omvandling av naturgas är det vanligaste sättet att framställa vätgas på till industrib, Olja och kol Kärnkraft Industri Tekniker som används för framställningen från källan: El från olika energikällor kan omvandlas till vätgas med hjälp av vatten som delas upp i väte och syre, så kallad elektrolys. Naturgas och biogas omvandlas till vätgas i en process som kallas reformering. Förgasningen omvandlar fast material till gas under högt tryck och hög temperatur. När vätgasen är framställd kan det lagras i: Gasflaskor: Vätgas komprimeras till 30-700 bars tryck och förvaras i gasflaskor. Det kommer säkerligen fortsätta vara den vanligaste metoden för vätgaslagring i fordon. Vätgas kan lagras i vissa metaller under tryck. Vätgas kan också förvaras i kyltankar, men då i flytande form. Kommer ni ihåg att vätgas blir flytande vid -253 grader? För att använda sig av vätgasen behöver den distribueras: Det kan en göra i ledningar, men Sverige har inget utbyggt vätgasnät. Små mängder vätgas är mest kostnadseffektivt att distribuera med bil. För att göra vätgas till el eller värme krävs att den omvandlas i en bränslecell, förbränningsmotor eller gasturbin. I fordon används idag bränsleceller. Har en detta kan vätgasen användas i: Fordon. För att ladda bärbara apparater, exempelvis mobiltelefoner och datorer. Användaren blir då oberoende av ett elnät. Som reservkraft till samhällsviktiga funktioner Inom industrin som råvara Visste ni att vi i Sverige har ca 23 bilar som kör på vätgas? Och i Norge finns det till och med bussar som kör på vätgas! 9
Övningsuppgift Göra vätgas/köra bränslecellsbil Instruktioner 1. Placera elektrolysören/bränslecellen upp och ner. 2. Ta av locken. 3. Fyll på destillerat vatten i behållarna tills nivån når toppen på de små rören. (Bild 1.) 4. Knacka på elektrolysören/bränslecellen så att vattnet når in till membranet och kollektorplattorna och luftbubblor kommer ut. 5. Fyll på mer vatten så att det rinner över genom de små rören i behållarna. 6. Sätt tillbaka locken. 7. Vänd tillbaka elektrolysören/bränslecellen. 8. Anslut handgeneratorns kablar till rött och svart uttag på solpanelen och på elektrolysören/bränslecellen. 9. Veva så länge du orkar. 10. När du tröttnat, anslut solpanelen istället. Röd och svart kabel till rött och svart uttag på solpanelen och på elektrolysören/bränslecellen. 11. Rikta lampan mot solpanelen så att avståndet är ca. 20 cm. (Bild 2.) 12. Tänd lampan. 13. När vätgasbehållaren är fylld med lite mer än 12 ml: Släck lampan och koppla bort kablarna från elektrolysören/bränslecellen. 14. Tryck fast elektrolysören/bränslecellen på bilen med det röda och svarta uttaget pekande mot bilens framdel i hacken så att det klickar. 15. Placera bilen på ett bord med minimimått 120 120 cm eller på golvet med motsvarande fria yta. 16. Vrid framhjulen maximalt åt höger. 17. Anslut röd kabel i rött uttag och svart kabel i svart uttag. (Bild 3.) Elmotorn startar. Låt den köra iväg. 18. Mät tiden och räkna antal varv bilen kör tills den stannat. 19. Koppla bort bränslecellen. Lossa den från bilen. 20. Vänd den upp och ned och ta loss locken på behållarna. Häll tillbaka vattnet i flaskan. Utrustning Solcellspanel Handgenerator 4 labbkablar Elektrolysör/ bränslecell Bil med elmotor Destillerat vatten Lampa min 1200 lm Hushållspapper 20cm Bild 1. Påfyllning av destillerat vatten Bild 2. Avstånd mellan ljuskälla och solcell Bild 3. Anslutning av bränslecellen till bilens motor Hur mycket vatten går det åt för att producera 12 ml H 2? Kommentarer till övningsbladet 10 Vad händer när vätgasen producerats? Du har då syrgas (O 2 ) i en behållare och vätgas (H 2 ) i en behållare. Dessutom har du vatten i bägge behållarna som skapar ett tryck så att vätgasen och syrgasen matas in i bränslecellen/elektrolysören. När den elektriska kretsen sluts startar reaktionen och el och vatten produceras. Vad händer när vätgasen har använts? Vätgasen förenas med syrgasen och bildar vatten. Hur mycket vatten går det åt för att producera 12 ml H 2? Det går åt ytterst lite vatten för att producera vätgas. För den som vill visa på detaljer: Vätgasens densitet är ca 0,08988 g/dm³ 12 ml vatten 12 gram 12 ml vätgas 12*0,08988/1000 = 0,0011g vätgas Vattenmolekyl väger 18 varav väte 2. Väteandel 2/18 = 11 % av vikten 0,0011/0,11 = 0,0099 ml vatten går åt i elektrolysprocessen vilket motsvarar 0,8 av vattnet i behållaren
Nationella miljömål Klimatförändringarna är vår tids ödesfråga och en av regeringens högst prioriterade frågor. Regeringens klimatpolitik innebär att Sverige ska vara ett föregångsland och bli ett av världens första fossilfria välfärdsländer. Långsiktig styrning och ambitiösa mål behövs för fortsatt omställning. Sveriges handlingsprogram för infrastrukturen för alternativa drivmedel i enlighet med direktiv 2014/94/EU Mål till år 2020 för transportsektorn: Andelen förnybar energi i transportsektorn ska 2020 vara minst 10 procent. 2017-02-02: Regeringen beslutade om ett förslag till sveriges första klimatlag. Se regeringen.se för lagrådsremissen. Källor www.vatgas.se (Vätgas Sverige) www.energikunskap.se (Energimyndigheten) http://www.vattenfall.se/sv/sa-produceras-el---branslecell.htm (Vattenfall) Vätgas och bränsleceller, Dougald Macfie, 2002, Statens väg- och transportforskningsinstitut Aga Gas Sveriges handlingsprogram för infrastrukturen för alternativa drivmedel i enlighet med direktiv 2014/94/EU Vätgasinfrastruktur för transporter (2014), C. Wallmark m.fl. Sweco.