Väte & alternativa energikällor Förstahands teknikkunskap

Generellt sett är elektrolys en enhet för separering, nedbrytning och transformering av material eller molekyler (redoxreaktion) med hjälp av elektrisk energi. I en vattenelektrolys, omvandlas vattenmolekyler (H₂O) till vätemolekyler (H₂) och syremolekyler (O₂).

Den faktiska reaktionen äger rum i elmekaniska celler vid en spänning på ungefär 1,4 V. Av praktiska skäl är en del av dessa celler (elektrisk seriekoppling) staplade i stackar. All utrustning runtomkring de elmekaniska cellerna finns under beteckningen "Kompletterande utrustning".

Kompletterande utrustning är ett uttryck som används vid anslutning av energiteknik. Det syftar på alla stödjande komponenter och extrasystem som krävs till konverteringen av energi - med undantag för generatorn och transformatorn själva.

För elektrolyser inkluderar detta energihantering (transformatorer, inverter, effektreglage etc.), vätske- och gashantering (vattenkonditionering, separering av vätska och gasfaser, gastorkning, gaskomprimering) och termisk hantering (kylsystem för effektelektronik, stack- och kondenstorkning).

En bränslecell består av två elektroder – anoden (vätesidan) och katoden (luftsidan). Båda elektroderna separeras av en elektrolys. I PEM-bränslecellen är detta ett semipermeabelt membran som endast är permeabelt till protoner.

Väteen matas till anoden. Den delas sedan upp i protoner och elektroner med hjälp av en katalysator (vanligen platin). Protonerna flyttas sedan genom membranet till katoden. Elektronerna flödar till katoden via en elektrisk förbrukare och elektrisk energi tillförs. Vid katoden blandas protoner och elektroder med syre från omgivningsluften för att forma vatten.

Begreppet "elmekanisk cell" är ett samlingsbegrepp för olika typer av celler så som elektrolysceller, ackumulatorceller, battericeller eller galvaniska celler. Dessa celltyper kan ibland vara reversibla, så som ackumulatorceller. Dessa kan laddas och urladdas - detta innebär att de kan konvertera elektrisk energi till kemisk energi och frige den igen som elektrisk energi. Utöver detta kan vissa typer av elektrolysceller drivas som bränsleceller. Detta innebär att konverteringen av väte och syre till vatten friger elektrisk energi och värme.

Elektrolysceller och bränsleceller består av bipolära plattor, elektroder och beroende på vilken teknisk som används, gasdiffusionsskikt och membran. Om "proton- / anionutbytesmembran" (PEM / AEM) används, är dessa ofta direkt anslutna till elektroderna och syftar på "membranutbytesmontering" (MEA).

Membranelektrodmonteringen kan interpreteras på flera olika sätt. I vissa fall menas endast membranet med katalysatorskikt på (ena sidan för katodreaktionen; på andra sidan för anodreaktionen). Men ofta inkluderas gasdiffusionsskikten eftersom de också måste vara elektriskt konduktiva.

Beroende på tekniken, består membranen av olika polymer eller keramik, vilka selektivt kan transportera protoner, anjoner (t. ex. väteajoner = OH) eller syre. Gasdiffusionsskikten transporterar gaserna som produceras (elektrolys) och används i vissa gaser (bränsleceller) så homogent som möjligt mot reaktionssidorna (katalysatorskikt). Dessa gaser leds ut eller in i elmekaniska celler via kanaler till de bipolära plattorna.

Bipolära plattor som har monterats i en multicell eller stackkonfiguration är framförallt ansvarig för fysisk och elektrisk anslutning av elanslutningar av anoden från en cell med katoden till cellen bredvid. Bipolära plattor i bränsleceller ser även till att leda reaktionsgaser till reaktionszonen. I detta syfte krossas eller pressas flödesprofiler (flödesfält) in till plattorna på båda sidorna där väte flödar på ena sidan och luft tillförs på andra sidan.

En bipolär platta består av de två polerna på en enda bränslecell: den vätetransporterande anodplattan (negativ (-) pol) och katodplattan (positiv (+) pol) för matning av reaktionsluften. Plattorna reglerar dessutom borttagningen av vattenånga och utsläppet av termisk och elektrisk energi. I elektrolysceller används de huvudsakligen till att kyla elektrolyser, tillföra reaktionsgaser till anodsidan och ta bort bätgas och gaser som produceras vid reaktionen.

I elektrolys- och bränslecellteknik är en stack en stack med seriekopplade elmekaniska celler samt komponenter som hölje/ram/klämmor. Seriekopplingen möjliggör en ökning av försörjningsspänningen och minskar spänningen med samma strömförbrukning i enlighet med P=U*I. Oberoende av detta förenklar även seriekopplingen i en stack hela designen på systemet.

Gasformig väte kan även lagras i en tan efter komprimering vid högt tryck. För transport har exempelvis en trycknivå på 350 bar för arbetsfordon och 700 bar för bilar etablerats. Vid 700 bar är tätheten ungefär 40 kg/m³ (24 kg/m³ vid 350 bar). Högtrycksackumulatorer är en billig lösning för små utrymmen och används därför huvudsakligen i mobila tillämpningar så som bilar och arbetsfordon.
Det finns för tillfället fyra olika typer av tryckkärl på marknaden:

• Typ 1: Tryckkärlet består endast av metall (oftast stål). Nominellt tryck ligger inom 200 bar.
• Typ 2: Förutom metallväggarna har tryckkärlen ett överdrag av hartsimpregnerat glas eller karbonfiber med ett nominellt tryck upp till 1000 bar.
• Typ 3: Tankarna har en insats av metall (oftast aluminium) och ett överdrag av karbonfiber runt hela tanken. Nominella tryck är vanligtvis 350 eller 700 bar.
• Typ 4: Ackumulatorer har en insats av plast (oftast polyamid eller polyeten) och överdraget är oftast gjort av karbonfiber, som på typ 3 kärlen. Nominella tryck är vanligtvis 350, 500 eller 700 bar.

Jämfört med lagring av vätgas har flytande väte fördelar som bränsle med tanke på tätheten (71 kg/m³). Trycket i tanken kan hållas lågt. Detta har en positiv effekt på tanksystemet med tanke på lagringstankens vikt och platsbehov, kostnader (särskilt för stora lagervolymer) och säkerhet.

Produktionskostnaderna för kryogen väte (-253 °C) är dock inte obetydlig. Väten hettas öven upp om den inte hålls kyld hela tiden. Detta leder till att trycket i tanken ökar. Detta kan leda till bortkokning. Med andra ord att vätgas släpps ut i omgivningen.

En vätedriven motor är en gasmotor som drivs på vätgas istället för flytande bränsle (så som diesel och bensin). Det finns helt vätedrivna motorer som drivs med ren väte. Det finns även hybrida vätedrivna motorer som drivs av en blandning av väte och andra gaser (så som metan- och naturgas).

En vätedriven motor är tänkt som ett alternativ till bränslecell eftersom befintliga förbränningsmotorer kan konverteras relativt enkelt. Hursomhelst visar studier att kostnadsförmånen minskar betydligt med ombyggnaden av bränslecell. Vätedrivna motorer kämpar med en lägre effektivitet, högre underhållskrav och stämpeln att de inte är helt 100% koldioxidneutrala.

"Elektriska fordon med bränslecell“ (FCEV) drivs främsta av en elektrisk motor precis som ett "batteridrivet elfordon" (BEV).

Till skillnad från BEV, tillförs den elektriska energin som krävs inte från ett stort batteri (känt som drivbatteri). Istället blir det tillgängligt genom konvertering av kemisk energi från den alternativa energikällan till elektrisk energi - möjliggörs av bränslecellen.

För tillfället är inte bränsleceller tillverkade för sådana snabba och långvariga belastningsförändringar som förbränningsmotorer är. Av den här anledningen är ett (litet) drivningsbatteri monterat som matas när belastningen är låg och tillför extra energi när belastningen är hög. Detta tillåter bränslecellen att drivas vid en relativt låg belastning när FCEV drivs.

Bränslecellkraftverk (FCPP), kombinerat med värme och kraft (CHP) och bränslecellkombinerade värme- och krafftverk (FC-CHPPP) imponerar med sin höga effektivitetsnivå. Beroende av vilken bränslecellteknik som används ligger den elektriska effektiviteten aktuellt på runt 30-60 %. Den totala effektiviteten kan ligga över 95% eftersom elektricitet och värme genereras direkt från den elmekaniska reaktionen utan några ytterligare konverteringssteg.

Bränslecellkraftverk har hittills utvecklats främst inom kraftintervall mellan 10 kw till 3 MW. Under de senaste åren har utvecklingen inom låga kraftintervall gått mot mikro- och nanobränsleceller som kombinerade värme- och kraftverk med 0,3-1,5 kW elektrisk effekt och 0,6-2,0 kW termisk effekt för fristående hus och parhus. I de övre effektområdet har kraftverk med runt 80 MW redan uppnåtts och detta ska utökas ytterligare under de kommande åren med hjälp av modulär konstruktion.

Power-to-X (även kallat PtX eller P2X) syftar på användningen av elektriska överskott från olika förnybara energier för att passa alla typer av tekniker. Dessa överskott kan exempelvis lagras direkt i batterier (kraft-till-kraft), konverteras till värme (kraft-till-kraft) eller användas för att producera kemiska energikällor (kraft-till-gas, kraft-till-vätska).

Om överskottselen används för att producera kemiska energikällor, görs ofta ytterligare differensiering (t. ex. kraft-till-väte, kraft-till-syngas, kraft-till-ammoniak, kraft-till-bränsle).

Ammoniak (NH3) är en kemisk förening av kväve och väte, som förekommer i gasform och normalt tillstånd. Sedan Justus Liebig utvecklade av kvävegödsel (runt 1840) har det varit ett av de viktigaste grundkemikalierna. Men det var inte förrän Haber-Bosch process användes i industriell skala på BASF i Ludwigshafen runt 1913 som en betydlig ökning i den dagliga produktionen var möjlig. Idag är ammoniak en av de mest producerade kemikalierna (146,5 miljoner ton 2021, 80 % av den till dynga) och som bas till produktionen av alla andra kväveföreningar.

Med hänsyn till utvecklingen av hållbar väteförbrukning är en ytterligare ökning av den årliga ammoniakproduktionen att förvänta. Anledningen: det är mer passande för transport och lagring än ren väte.

Med tanke på den rätt höga kokpunkten på -33 °C är det mycket enklare och billigare att göra ammoniak flytande jämfört med väte (kokpunkt -252 °C). Det högre volymenergivärdet är på ammoniak jämfört med väte (3,2 kWh/l jämfört med 2,8 kWh/l) är också relevant, särskilt för transportlogistik.