O l

e T

r i n

h a

m m

e r E v i g E n e r g i ?

- brændselsceller og brintsamfundet

H2

H2

H2

H2

H2H2

H2H2

H2H2

H2H2

H2H2

H2H2

Evig Energi ?- brændselsceller og brintsamfundet

er skrevet til Fysik C på gymnasialt niveau og kan an-vendes såvel til det introducerende niveau som i se-nere valgfag og studieretning. På bogens hjemmeside findes der uddybende materiale, der også kan udfordre eleverne på niveau B og A. Tre bøger, Brændselsceller og brintsamfundet, Solceller samt Evighedsmaskiner er samlet under en fælles betegnelse, Evig Energi? Man ser både eksempler på kreativ snilde, teoretiske mo­deller og naturlovene bag udfoldelsen af menneskets virkelyst.

Ideen er at vise hvilke muligheder, der er for at reali­sere brintsamfundet, hvis “blot” effektiviteten af solcel-ler og brændselsceller forbedres. Med brintsamfundet menes et bæredygtigt samfund med en stor andel af vindmøller og solceller, hvor overskudsstrøm bruges til produktion af brint fra vand. Brinten anvendes så i brændselsceller i biler og kraftværker, og vandet gen-dannes. En slags “evighedsmaskine” i praksis.

I løbet af de år, der er gået, mens denne bogserie blev til, har mange nye ideer om solceller set dagens lys, og bilfabrikkerne er begyndt at interessere sig for brænd-selsceller. Det er et mål, at eleverne vil tiltrækkes af det offensive i projektet ­ og indse, at selv om naturen sætter nogle grænser, er der stadig et stort spillerum for fantasi og kreativitet. Her kan man faktisk gøre no-get for en renere energiforsyning.

Bogseriens hjemmeside: evigenergi.fys.dk

FYSIKFORLAGET 2005

ISBN 87-7792-027-9

FYSIK

C

NVG ASF

B

A

1

EVIG ENERGI? - brændselsceller og brintsamfundet

Ole Trinhammer

FYSIKFORLAGET 2005

2

EVIG ENERGI? - brændselsceller og brintsamfundet(C) 2005 Fysikforlaget og Ole Trinhammer

RedaktionBjarning Grøn

Layout og illustrationerNiels Elbrønd Hansen

OmslagsfotoSøren Frederiksen A/S

CopyrightKopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har indgået aftale med Copy-Dan, og kun inden for de i aftalen nævnte rammer.

TrykBudolfi Tryk Aps, Aalborg

1. oplagISBN 87-7792-027-9

Fysikforlaget 2005

Billedleverandører:

1 og 36 NASA og DMSP v/Arthur L. Nash2 E.ON Informationszentrum, www.solarwasserstoff.de v/Rosa Schafbauer3 og 13 Søren Frederiksen A/S, v/Steen Ellemose og Gunnar Hansen4 Elsam, Eltra v/Torben Bülow5 Espersen Rådgivende Ingeniører, v/Torben Espersen og Teknologisk Institut v/Ivan Katic7, 15, 17, 26c og 27 Ole Trinhammer8 Daimler-Chrysler v/Sybille Niegel og Stefan Schuster9 Sunslates, Dansk Eternit v/www.atlantisenergy.org/sunslates2.html10 Elsam v/Lars Lærkedahl og Sanne Sørensen11, 12, 26b www.aviationtomorrow.com v/Maciej “Mac” Zborowski14a h-tec v/Sabine Heise-Krüger19a og 23a IRD Fuel Cells a/s, Svendborg v/Charlotte Jørgensen og John Kaas23b, 25a og 25b Siemens v/Gudrun Knobloch, Renate Kirch- ner, Wieland Simon, Josef Lersch24a RISØ v/Mogens Mogensen og Leif Sønderberg Petersen26a Niels Elbrønd Hansen33 MiniHydrogen v/Jacob Hansen34a, 34b og 34d General Motors v/Ole Poulsen, DK34c Joe Zeff Design Inc. og Scientific American35 Connex, Malmø v/Gert Magnusson

Forlaget har søgt at finde frem til alle rettighedshavere i forbindelse med brug af billeder.Skulle enkelte mangle, vil der ved henvendelse til forlaget blive betalt, som om aftale var indgået.

3

Indholdsfortegnelse1. ET EVIGT KREDSLØB AF ENERGI? 5 Indledning 5 Behov og resurser 7 BOREPLATFORM Drivhuseffekt 10 Sol og brint - en langsigtet løsning 10 Opgaver 12

2. BRÆNDSELSCELLER 13 Ren og lydløs elforsyning 13 Elektrodeprocesserne for en PEM-celle 15 Kontrolleret forbrænding 15 Miljømæssige fordele 16 Total virkningsgrad 17 Indre modstand 18 BOREPLATFORM Polarisationsmodstand 19 Maksimal effekt 20 Kompromis mellem effekt og virkningsgrad 20 Elektrolyse 21 Lidt historie 22 Forskning og teknologisk udvikling 22 Fremtid 24 BOREPLATFORM Lagring af brint 25 Opgaver 26

3. PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET? 28 Samfundsudvikling i perspektiv 28 Menneskehed og Jordklode 29 BOREPLATFORM Reserver eller resurser 30 BOREPLATFORM Fossile energikilder 30 BOREPLATFORM Solpletaktivitet og klima 30 Energi, klima, penge og politik - Kyoto-aftalen 34 Samfundsøkonomi kontra privatøkonomi 35 Indsats på mange fronter 35 Tidshorisont 37 BOREPLATFORM Geologisk tidsskala 38 BOREPLATFORM Til diskussion 38 Opgaver 40

4. ØVELSER 42 1. Brændselscellens effekt og virkningsgrad 42 2. Brændselscellens belastningskarakteristik 44 SMÅØVELSER 45 – 3. Brintbilen – 4. Mængdeforhold ved elektrolyse – 5. Reaktionsforhold i brændselscellen PROJEKTER 45 – 6. Faradays love – 7. Virkningsgrad ved elektrolyse – 8. Energilagring. Det ideelle energikredsløb – 9. Opfinderprojekt - ‘cirkeltank’

LITTERATUR 46 STIKORD 47

4

Denne bog er skrevet til Fysik C på gymnasialt niveau. På bogens hjemmeside evigenergi.fys.dk findes der uddy­bende materiale, der også kan udfordre eleverne på Fysik B og Fysik A. Tre bøger, Brændselsceller og brintsamfun-det, Solceller samt Evighedsmaskiner er samlet under en fæl les betegnelse, Evig energi? Man ser både eksempler på kreativ snilde, teore tiske modeller og naturlovene bag udfoldelsen af menneskets virkelyst.

Ideen er at vise, hvilke muligheder der er for at realisere brintsamfundet, hvis “blot” effektiviteten af solceller og brændselsceller forbedres. Med brintsamfundet menes et bæredygtigt samfund med en stor andel af vindmøller og solceller, hvor overskudsstrøm bruges til produktion af brint fra vand. Brinten anvendes så i brændselsceller i biler og kraftværker, og vandet gendannes. En slags “evig­hedsmaskine” i praksis.

I løbet af de år, der er gået, mens denne bogserie blev til, har mange nye ideer om solceller set dagens lys, og bilfa­brikkerne er begyndt at interessere sig for brændselsceller. Jeg håber, at eleverne vil tiltrækkes af det offensive i pro­jektet – og indse, at selv om naturen sætter nogle grænser, er der stadig et stort spillerum for fantasi og kreativitet. Her kan man faktisk gøre noget for en renere energiforsy­ning.

Kapitel 1 giver et overblik over verdens energibehov og sætter det i forhold til den totale solindstrå ling.Kapitel 2 beskriver brændselscellers og elektrolysecellers funktion. Belastningskarakteristik, maksimering af ef­fektivitet eller effekt i anvendelser. Historie, forskning og fremtid.Kapitel 3 beskriver argumenter for samfundsmæssige til­tag på vej mod brintsamfundet med CO2­kvoter og Kyoto­aftale. Der afsluttes med oplæg til diskussion.

ForordOpgaver findes i hvert kapitel og facitliste på hjemmesi­den. Hjælpebrikker giver små fiduser og matematisk støtte. Boreplatforme lægger op til fordybelse og kan måske inspi­rere til gruppeforedrag og internetsøgning. Vejledninger til øvelser og projekter findes bagerst i bogen.

Taksigelser: Mirka Smrcinova og Torben Amtrup for fag­lige og pædagogiske råd undervejs. Dorthe Wildt Nielsen, Syddansk Universitet for kommentarer til kapitel 1. Ole Schmidt, Amtsgymnasiet i Hadsten og hans elever for ideer til arbejdsspørgsmål og vejledninger i forbindelse med kapitel 2. Anette Kruhøffer, tidligere kollega for et oplæg om brændselceller. Mogens B. Mogensen, RISØ for gennemlæsning af kapitel 2 i en tidligere udgave. Jørgen Kofoed Jensen, kollega for kommentarer i forbindelse med kapitel 3. Kai Møller Nielsen, tidligere kollega for kritisk sprog lig gennemgang af hele bogen. Fysikforlagets bistand og inspiration i arbejdet fra Bjarning Grøn og Niels Elbrønd Hansen har givet mig tryghed i processen. Ingeniø­rens dygtige skribenter; artikler, som jeg specielt har støttet mig til, er nævnt på hjemmesiden. Søren Linderoth, RISØ, Ralf Ploug Hansen, Københavns statistiske kontor, Claus Martinussen og Claus Reimer, Københavns Energi A/S, Per Thorkildsen, Oliebranchens Fællesrepræsentation, Niels Clausen og Thomas Scott Lund, Avedøreværket, Rolf Baden og Peter Simonsen, Kyndbyværket, Elo Godsk Hansen, Enstedværket, Jens Bengtsson, Energistyrelsen. Samtidig de mange billedleveran dører, som frit har stillet materiale til rådighed. Sidst men ikke mindst mine elever, som har prøvekørt de første udgaver.

Frederiksberg, december 2004

Ole L. Trinhammer

5

ET EVIGT KREDSLØB AF ENERGI?Kapitel 1

IndledningI årtusinder har mennesker opfundet redskaber, der kan lette arbejdet og udføre førhen umulige opgaver. Arbejdsevnen blev først øget ved at bruge trækdyr, fx ved pløjning. Senere kom egentlige arbejdsmaskiner til. Princippet er, at maskiner kan lette arbejdet fordi de omsætter energi ­ i form af foder (til trækdyr), brænde, strømmende vand, blæst, kul, olie, kernekraft og sollys. Tænk, hvis man helt kunne slippe for at “putte noget i maskinen”. Tænk at opfinde en maskine, der kan køre af sig selv, måske endda levere et overskud af arbejde, mens den kører?

Tanken har fascineret i århundreder og gør det stadig, selv om vi nu er ret sikre på, at det er umuligt. Du kan læse om en række historiske ek sempler på ideer til evighedsmaskiner i en bog i serien om Evig Energi? Nogle af maskinerne er ikke svære at gennemskue, men for andre kan det være vanskeligt at forklare, hvorfor de ikke virker i praksis. Men de “er” umulige. Lige så umulige som at varme af sig selv skulle strømme fra et koldt til et varmt legeme. Drømmen om evig energi er og bliver en drøm.

Figur 1Den umulige drøm har fået luft under vingerne. Helios, der er udviklet af NASA til langtidsobserva-tioner højt i atmosfæren, svæver ved lysets kraft. Flyets motorer får energi fra solceller på oversiden af vingen. Fra 2003 arbej-der man på at medbringe vand, så energi kan gem-mes til brændsels celler, der kan drive flyet om natten.

6

Alligevel er der de seneste år kommet skred i en udvikling, der smager lidt af drømmen ­ nemlig i produktion af elektricitet fra sollys i solceller. Cellerne virker, blot det er lyst, også når solen ikke skinner fra en skyfri himmel. Så er udbyttet dog mindre. Elektriciteten kan udnyttes straks eller gemmes som brintbrændsel ved at man leder strøm gennem vand, der så spaltes i ilt og brint, som opsamles. Når man på et senere tidspunkt skal bruge energi, lader man brinten reagere med ilt i brændselsceller, der producerer strøm. Affaldet er vand, som kan spaltes igen af overskudsstrøm fra solceller. Og så videre. Se det ideelle energikredsløb i brintsamfundet i figur 2. Jeg vil beskrive brændselsceller i denne bog og solceller i en anden. Men først vil jeg give en fælles appetitvækker ved at pege på, hvor svim­lende mulighederne er. Vi ved nemlig, at Solen vil lyse stabilt i cirka seks milliarder år endnu med en intensitet, der er godt otte tusinde gange så stor som det forbrug, vi har i øjeblikket. Hvis vi kan udnytte blot en brøkdel af en procent af sollyset, har vi altså rigeligt.

Vedvarende energi

Solens energi opsamles på store solpaneler.

Brint og ilt frem-stilles ved at spalte vand ved elektrolyse.

Brint og ilt lagres til senere anven-delse.

Vand

Figur 2Solbrint - det ideelle ener gikredsløb. Det tyske forsk nings cen ter Solar-Wasser stoff- Bayern skabte et rent kredsløb, hvor solenergien kunne lagres og udnyttes, når man havde brug for den. Det evige energi-kredsløb er dog ikke en evighedsmaskine. Det er Solen, der driver værket. Sollyset inde hol der otte tusinde gange vores behov for energi i dag. Og Solen vil fort sætte med at

skinne i milliarder af år endnu. Det koster “kun” investering i udstyr at udnytte det. Strøm fra vindmøller kan også drive kredsløbet. Din generation vil hjælpe med at bringe prisen på udstyr ned. Der er ingen teore tiske hindringer for, at det kan lade sig gøre. Det eneste, der mang-ler, er nye ideer og billigere teknologi.

Ilt Brint

Brinten anvendes i bilmotorer.

Restproduktet bliver vand.

Brin

t Ilt

7

LandForbrug pr. person

(1995)W

Befolkningstal Areal

km2

Forbrug

W/m2

Solindstråling

W/m2

Forbrug i pro-mille af sol-indstråling

USA

Japan

Danmarkheraf el

Europa

Rusland

Kina

Indien

Mocambiqueheraf el

Verden

Verden (50 år frem ? )

11.200

5.700

5.000 690

4.800

4.000

900

370

400 5

2.100

22.400

246.000.000

122.000.000

5.300.000

660.000.000

147.000.000

1.072.000.000

781.000.000

15.000.000

5.900.000.000

11.800.000.000

9.373.000

378.000

43.000

6.290.000

17.075.000

9.597.000

3.167.000

799.000

150.000.000

150.000.000

*)

1,84

0,620,09

0,50

0,04

0,10

0,09

*)

0,08

1,76

*)

200

100

140

100

210

230

*)

200

200

*)

9,2

6,20,9

3,6

0,4

0,5

0,4

*)

0,4

8,8

Behov og resurserDanskerne bruger cirka 5.000 watt pr. person, dvs. 5.000 joule i sekundet, se tabel 1. Til sam­menligning omsætter din krop cirka 100 watt fra det du spiser og drikker. De 5.000 W indbe­fatter energi til industriproduktion, både varme og elek tricitet samt energi til transport. Det er altså Danmarks samlede effektforbrug divideret med indbyggertallet.

Hvis vi sammenligner USA og Verden, ser vi i runde tal, at effektforbruget pr. person i USA er fem en halv gange så stort som verdensgen­nemsnittet. Hvis vi sammenligner USA med Ja­pan, Danmark eller Europa, er der noget, der tyder på, at man i USA frådser med energien. Dette bekræftes ved at sammenligne landenes

Tabel 1Oversigt over effektforbrug i forskellige dele af verden. Den gennemsnitlige sol ind stråling er 100 - 250 W/m2 afhæn-gig af breddegraden. For Danmark er det 100 W/m2, se figur 6.

Figur 3Kredsløbet i figur 2 kan studeres i skolelaborato-riet. Fra venstre ser man solcellepanel, elektrolyse-celle, brændselscelle og motor.

LandBNP pr. indbygger

(1998)US$

Effektforbrugpr. indbygger

WUSA

Japan

Tyskland

Danmark

32.900

32.200

26.200

32.800

11.200

5.700

-

5.000

Tabel 2Økonomi og effekt i for-skellige lande. Bruttona-tionalproduktet (BNP) er et mål for, hvor megen værdi, der produceres i et land i løbet af et år. USA bruger dobbelt så meget effekt til at pro-ducere samme værdi som fx Danmark.

*) se opgave 103

8

HJÆLPEBRIK Energi eller effekt?

I daglig tale siger man energiforbrug (joule), men energi kan ikke forbruges, kun omdannes. Fx fra kemisk energi i brændslet til elektrisk energi og varme i en brændselscelle. Man burde derfor tale om effekt (watt), som er omsat energi pr. tidsenhed (watt = joule pr. sekund). En brødrister på 500 W omsætter 500 joule pr. sekund fra elektrisk energi til varme. Den bruger en effekt på 500 W, sålænge den er tændt.

bruttonationalprodukter (BNP), som er et udtryk for, hvor produktive og rige landene er, se tabel 2. USA’s bruttonationalprodukt pr. indbygger er ikke dobbelt så stort som DK’s selv om deres effektforbrug er det. De producerer cirka den samme værdi pr. indbygger som os, men de bruger cirka dobbelt så meget effekt til at gøre det. Kort sagt udnytter de kun energien halvt så godt som vi gør. De producerer knap 3 dollars pr. watt mens vi i Danmark producerer godt 6 dollars pr. watt.

Hvor meget energi har Verden så brug for på længere sigt? Det er meget vanskeligt at svare på, for der er åbenbart ikke proportionalitet mel­lem levestandard og energiforbrug. Gennem de sidste mange år har man nemlig lært at spare på energien i industrien ved at udvikle mere energieffektive maskiner, så det ikke går ud over produktionen. Sådanne besparelser vil sikkert også slå igennem i USA på længere sigt, for energi koster penge.

Figur 4Vindbrint? Ved sammenkobling med en elektrolysestation og et brintlager bliver en vindmøllepark til et kraft værk, der kan re-guleres. Man kan bruge strømmen direkte, når der er behov, eller lave brint, når man har over-skud af strøm. Så slipper man for at skulle sælge strømmen alt for billigt. Her ses en række 2 MW møller i Elsams havmøl-lepark på Horns rev.

Energiomsætningi millisol

1 “sol” = 200 W/m2

1.000

100

10

1

1/10

Globaltemperaturstigning

i °C

39

4

0,5

ubetydelig

ubetydelig

Bemærkninger

“hede have”

“tropisk klima”

drivhuseffektniveau

DK-niveau

verdensniveau

Antal år, hvor energireserven kan dække Verdens effektforbrug på: USA-niveau for hele nuværende niveau Verden og fordoblet verdensbefolkning

Tabel 3Kendte og tilgængelige energireserver målt i det antal år, de kan dække Verdens effektforbrug på det nuværende niveau samt på USA-niveau med en fordoblet verdensbe-folkning.

Kul

Råolie

Naturgas

Urani alm. reaktor

Uran i formeringsreaktor

Tung brint i fusionsreaktor

Brint i Solenleverer sol og vind på Jorden

270

40-50

60-70

40-50

2.400 - 3.000

> 1.000.000.000

6 - 7.000.000.000

27

4 - 5

6 - 7

4 - 5

240 - 300

> 100.000.000

6 - 7.000.000.000

Tabel 4Temperaturstigninger som følge af forøget energiomsætning. Bemærkningerne ud dybes på hjemme-siden.

9

Den isolerende drivhusvirkning af de sidste 200 års menneskeskabte CO2­udledning anslås af FN’s klimapanel til 2,5 W/m2. Det svarer til 12,5 promille af den gennemsnitlige solind­stråling, så drivhuseffekten har samme virk­ning, som hvis solen skinnede 12,5 promille kraftigere. På me get langt sigt skal man også tænke på intensiteten af selve energiforbruget. Fx ligger Japans forbrug 1,84 W/m2 på niveau med drivhuseffekten. Sammenhængen mellem intensitetsforøgelse og Jordens gennemsnits­temperatur er vist i tabel 4. På hjemmesiden kan du læse mere om langsigtede perspektiver i energiforsyningen og Jordens varmebalance. En langsigtet fordel ved solenergi er, at anvendelsen ikke bidrager til drivhuseffekten (ingen CO2­udledning). Og opvarmningen af jordoverfladen ændres heller ikke nævneværdigt. Man udnyt­ter jo kun den stråling, der i forvejen kommer fra Solen, og hustage opfanger i forvejen lige så meget solstråling som solceller gør. Jordens albedo, refleksionsevne, ændres altså ikke væsentligt, hvis cellerne placeres på tagene.

I tabel 3 er vist en oversigt over de tilgængelige energireserver, vi kender. Det er måske over­raskende, at der kun er olie, gas og uran til cirka 50 års forbrug på det nuværende niveau.Derimod er der rigeligt med solenergi. Solen indstråler typisk 200 W/m2, se figur 6. I Dan­mark er tallet cirka 100 W/m2. I fuldt solskin er intensiteten 1.000 W/m2 vinkelret på strålingen. Ser man hurtigt på figuren, ville man tro, at verdensgennemsnittet var cirka 150 W/m2, men grafen “snyder”, for der er meget mere areal ved breddegraderne omkring ækvator end omkring de polare breddegrader. Hvis man vil beregne, hvor stor en indstrålet effekt P (watt, P kommer af engelsk ‘power’), der modtages på et givet areal A (m2), skal man blot gange intensiteten I (W/m2) med arealet, så vi har sammenhængen

HJÆLPEBRIK

Man behøver kun at huske I =P

A , og

det kan man ved hjælp af enhederne W/m2. Den anden formel kan man finde ved at gange med A på begge sider.

P = I A

I =P

A=

⋅ eller

Effekt pr. areal (1)

Figur 6Solindstrålingens geo-grafiske fordeling, gen-nemsnit over dag/nat, skydække og årstid. Tal-lene gælder for indstråling på en vandret flade. På høje nordlige breddegra-der kan indstrålingen på fx et solpanel øges ved at stille det på skrå mod syd.

Figur 5Solceller ved Matterhorn, Zermatt, Schweiz. Solcel-lerne kan holde i ca. 25 år uden vedligehol delse. De skaber strøm, når de befinder sig i lys, ikke nødvendigvis sollys.

- 90 - 60 - 30 0 30 60 90 S Æ DK N Breddegrad

Inte

nsite

t i W

/m2

250

200

150

100

50

0

10

Sol og brint, en langsigtet løsningHvis man vil udnytte elektricitet fra solceller i stor stil, må man finde en smart måde at gemme den på, til man har brug for den. Næst efter prisen på solceller er det den største hindring på længere sigt. I brintsamfundet lagres elektrisk energi i spaltet vand. Overskudsstrøm fra fx sol­celler bruges nemlig til ved elektrolyse at spalte vand i brint og ilt. Brinten udnyttes siden i en brændselscelle, der leverer strøm, når man har brug for den. Det er denne løsning, bogserien Evig Energi? handler om.

Jeg er overbevist om, at elektricitet fra sollys på denne måde en dag vil udgøre den største energikilde. Om det bliver i min levetid, ved

BOREPLATFORM Drivhuseffekt

Drivhuseffekt er navnet på atmosfærens isolerende virkning. Luften i atmosfæren opsamler varme fra jorden ligesom en dyne. Solen stråler gennem luften ned på jorden, som varmes op. Jorden sender energien tilbage som varmestråling, der ikke trænger så godt gennem luften. Atmosfæren virker som glasset i et driv-hus. Man deler drivhuseffekten op i den naturlige og den menneskeskabte. Den naturlige drivhuseffekt er nødvendig for livet på Jorden. Hvis luften ikke virkede som en dyne ville gennemsnitstempera-turen på overfladen være -15°C. Havene ville være stivfrosne, og der ville næppe være liv på vores klode. Den menneske-skabte drivhuseffekt stammer fra afbræn-ding af kul, olie og naturgas, hvor der ud vikles kuldioxid, CO2, som øger luftens varme op ta gelse. Man er bange for, at den men ne skeskabte drivhuseffekt nu har nået en størrelse, som påvirker klimaet, fordi isen på polerne er begyndt at smelte. Læs mere på hjemmesiden om Jordens varmebalance.

Figur 7Tankstation for brint-busser i Malmø, Sverige. Indviet i 2003. Samme år fik Island sin første tank-station for brintbusser i Reykjavik.

Figur 8F-cell er Daimler-Chrys-lers brændselscellebil klasse A, som blev god-kendt i Japan i 2003. Tokyo fik sine første 5 tankstationer for brint i 2003. Varevognen til højre er verdens første brænd sels cellebil Necar 1 fra 1994. Necar står for ‘new electric car’.

jeg ikke, men jeg tror afgjort, at det bliver i din. Der kræves stadig meget forskning. En storstilet udnyttelse er på vej, men lader dog vente på sig, fordi solceller er for dyre til rigtigt at kunne konkurrere. I mellemtiden kan man forestille sig, at vindmølleparker udstyres med elektroly­sestationer og brintlagre. Dermed kan man bedre regulere elproduktionen, så eventuelle overskud ikke går til spilde. Og man skubber samtidig på udviklingen af billigere brændselsceller.

På langt sigt kan man forestille sig et brintsam­fund, hvor kraftværkerne er både fordelings­centraler og elektrolysestationer. Elektricitet fra lokale solcelle­, vindmølle­ og bølgekraftanlæg

fordeles herfra mellem forbrugerne. Og hvor tank vogne henter brint til transportsektoren. Eller måske hentes brinten i pulverform som såkaldte metalhydrider. Når der er overskud af elektricitet produceres brint i elektrolysecel­ler. Når der senere er underskud af elektricitet, bruges brinten i brændselsceller. Brændselscel­lerne kan være store anlæg på kraftværkerne, hvor de allerede har vist sig rentable. Visse typer kan bruges både som brændselsceller og elektro­

11

lyseceller (“reversible” celler). De kan også være bygget ind i biler, som i dag er under udvikling. Bilerne kan indgå i forsyningsnettet ved at være tilkoblede, når de ikke bruges til transport. Der er så meget overskudskapacitet i bilmotorerne, at Californiens biler ville kunne forsyne staten med elektricitet, hvis blot 1/25 af statens biler var koblet til lysnettet og lavede strøm fx mens de var parkerede. Man har opgjort, at biler står stille i 90% af tiden.

Solenergien er i øvrigt ikke begrænset af, hvor meget af den, vi udnytter. Solen skinner jo, og forbruger altså sit brændsel, hvad enten vi vil det eller ej. Solenergi er i den forstand en “evig” energikilde, hvor “evig” skal forstås som hele Jordens levetid. Processen kan køre så længe Solen skinner som nu, det vil sige i godt 6 mil­liarder år. Det er ikke en evighedsmaskine, men det er alligevel temmelig længe! Med dette lange perspektiv, tager vi en tur ind i brændselscel­lens teknologi. Sammen med solceller er det den mulige drøm om næsten evige maskiner.

Figur 10Kraftværk med brænd - sels celler, Westervoort, Holland. Et samarbejde med det danske Elsam. Verdens største anlæg i 2000. Det omdanner 46 % af energien i brændslet til el, og leverer i gennem-snit 110 kW. Værket er senere flyttet til RWE i Essen. Det ejes af Sie-mens-Westinghouse.

Figur 9Solceller indbygget di rek te i tagdækningen spa rer penge til monte-ring. Hvis prisen på cel-lerne også kan bringes ned, kan udviklingen tage fart. Produktet her hedder Sunslates.

Figur 12Et kig under motorhjelmen på brændselscelle flyet E-plane, der skal flyve på brint. Ved an vendelse i fly er det særlig vigtigt, at cellerne ikke vejer for meget i forhold til den effekt, de kan levere. Her fås 10 kW ved 135 V fra hver af de to celle-stakke til elmotoren. Flyet medbringer knap 2 kg brint ved et tryk på 340 atmosfære. Det rækker til to timer. Marchhastig heden bliver knap 140 km/h.

Figur 11E-plane er under udvikling på Worcester Polytech-nics Institute, USA. Der er tale om et undervisnings-projekt. Man håber flyet letter i 2004.

12

101Beskriv de enkelte led i figur 2. Hvor omformes ener gien, hvor lagres den, hvordan trans-porteres den?

102Energiomsætningen for piger (15-18 år) er i gennemsnit 9,0 MJ (megajoule) i døgnet og for drenge 11,5 MJ. M (mega) = 106.Beregn omsætningen i watt (joule pr. sekund).

103a. Kontrollér tallene for Danmark i de sidste 3 søjler af tabel 1.b. Færdiggør tabel 1 for USA (37 °N) og Mocambique (25 °S).

104I 2002 var Danmarks elforbrug 115 PJ (petajoule, P (peta) = 1015).a. Vis, at dette svarer til en gennemsnitseffekt på 3,65 GW (gigawatt, G (giga) = 109).b. Hvor mange kvadratmeter solceller med en effekti vitet på 15 % kræves for at dække dette forbrug, når indstrålingen sættes til 100 W/m2.c. Giv et skøn over Danmarks bebyggede areal og vurdér om solcellerne vil kunne være på tagene.

105Jordens overfladeareal kan beregnes som 4πr2 , hvor r = 6.367 km er Jordkuglens radius. Den gennemsnitlige indstråling er 200 W/m2 ved jordoverfladen. Vis, at den samlede indstråling er godt otte tusinde gange det, vi bruger til menneskelig aktivitet (brug også oplysnin-ger fra tabel 1).

106 Brug tagene!Danmarks bebyggede areal var 461 km2 i 2002. Vis, at Danmarks elforbrug i tabel 1 svarer til knap 1

promille af solindstrålingen, og at det vil kunne dækkes ved at benytte solceller med en effektivitet på 10 %, der dækker 1 % af landet, svarende til netop det bebyggede areal. (DK’s areal er 43.000 km2).

107 Effekttætheden i Københavns kommune. a. Tror du Københavns effektforbrug pr. m2 er større eller mindre end landsgennemsnittet? Begrund dit svar.b. Tror du Københavns effektforbrug pr. person er større eller mindre end landsgennemsnittet? Begrund igen dit svar.c. Beregn nu forbruget i W/m2 og i W pr. person. Du skal bruge følgende oplysninger: Kommunens areal er 88,25 km2 og i 1998 var indbyggerantallet 419.082. Elforbruget var 2.357 GWh. (G = 109, 1 Wh er 3600 Joule). Fjernvar-meforbruget var 4.308.332 MWh og by gasforbruget var 34,3 mio. m3. Brændværdien er cirka 16 MJ/m3 (M = 106). Benzinforbruget kan skønnes på grundlag af det samlede danske forbrug på 2.600 mio. liter, idet det sættes i forhold til Danmarks samlede indbyggertal i 1998 på 5.294.860. Benzinens brændværdi er 42,7 MJ/kg og massefylden kan sættes til 0,75 kg/L. Hertil kommer diesel samt olie og petroleum til centralvarme. Oplysninger herom har ikke kunnet fremskaffes, men det er formentlig kun mindre bidrag. Mere alvorligt er, at det ikke vides, hvor meget af spildvarmen fra el-produktionen, der har kunnet udnyttes til fjernvarme. Et skøn kunne være at 40 % af brændselsenergien leveres som el, 30 % som fjernvarme og 30 % tabes. d. Beregn forbrug i promille af solindstråling og sam-menlign med tabel 1 og 4.

108Beregn effekttætheden i din kommune ved at indhente oplysninger som i opgave 107. Hvis du bor i Københavns Kommune, kan du fx undersøge Frederiksberg Kommune. Man kan starte med at forhøre sig hos Teknisk Forvaltning.

Opgaver ET EVIGT KREDSLØB AF ENERGI?

13

BRÆNDSELSCELLER

Kapitel 2

Ren og lydløs elforsyningBrændselsceller omdanner energien i et brændsel til elektrisk energi, lydløst. Omdannelsen sker uden en egentlig forbrænding med varmeud-vikling. Derfor kan omdannelsen i princippet gøres mere effektiv end på kraftværker og i bil-motorer. Det er miljømæssigt en fordel. Benyttes celler til brint fås kun vand som “affald”. Endnu er brændselsceller for dyre til at anvende i stor skala. Der kræves stadig en del forskning, og Danmark er med. Her skal du lære om grund-laget for teknologien. Tidshorisonten er nogle tiår, så din generation vil sikkert bidrage med nye ideer.

Brændselsceller er i princippet en variant af et almindeligt element - eller batteri, som vi siger i daglig tale. I et batteri er stofferne, der skal reagere, gemt inde i batteriet. Når stofferne er brugt skal batteriet smides væk eller lades op igen. I brændselsceller derimod, tilføres ilt og brændsel udefra. De skal altså ikke lades op, men kan køre uafbrudt. De er en slags “evighedsbat-terier”.

Brændselscellen har to elektroder (+ og -) og en elektrolyt, der adskiller elektroderne. Elektro-derne leder elektroner. Elektrolytten leder ioner men ikke elektroner. Cellen producerer elektri-

Figur 13Skolemodel af brænd­selscellebil. Cellen er ca. 3 cm x 3 cm og sidder mellem de to cylindre. 1) Vand i cylindrene, led­ninger til et 2V­solpanel. Cellen laver brint og ilt ved elektrolyse. Gasserne opsamles i cylindrene. 2) Flyt cellen til bilen. Cellen er nu brænd­selscelle. Gasser ne om ­ sæt tes tilbage til vand. Bilen kører ­ næsten uden støj og helt uden røg.

14

Figur 14 cTværsnit af PEM celle. De to elek t ro der er porøse “kultæpper” med platin korn. H2 vil gerne forenes med O2 til H20. Det kan kun ske ved at H2 skilles ad så 2 H+ og 2 e­ løber hver sin vej til O2, dvs. H+ gen­nem elektrolytten og e­ gennem den ydre be­last ning. Det giver strøm.

+H

H

H+2

O2

H O2

-

-

-

-

H2

H2

2 H+

2 e-

H+ O2

H2O

4 H+

4 e-

H2O

O2anode katode

polymerelektrolyt kul-

partikler

platin-katalysator

citet, når den tilføres stoffer, der kan reagere kemisk. Det kan være brint (hydrogen) og ilt (oxygen). Ved den ene elektrode tilledes brint. Denne elektrode bliver negativ, fordi brint gerne vil afgive elektroner. Ved den anden elektrode, som bliver positiv, tilledes atmosfærisk luft, der indeholder ca. 20 % ilt. Resten af luften, der hovedsageligt består af kvælstof (nitrogen) samt

mindre mængder af andre gasser, er uden be-tydning. Man kan også tillede ren ilt.

Elek tro derne skal være porøse. Derved kan der trænge gas ind i dem. Samtidig får de en stør- ­re­over­fla­de,­hvorpå­reaktionen­kan­foregå.­­End vi de re skal de naturligvis være gode til at lede elek trisk strøm. Også elektrolytten skal

Figur 14 aEn brændselscelle i “ex­ploded view”. De to sorte, hullede plader er elek­troderne og i midten er elektrolytten, som er nog­le cm høj og bred. De kraftige skruer tjener til at lukke cellen lufttæt.

+H

H

H+2

O2

H O2

-

-

-

-

Figur 14 bSkitse af brændselscelle i samlet tilstand. Den ydre belastning (motor, elpære osv.) tilkobles med led­ninger til elektroderne. Brændsel (brint) og luft (ilt) tilledes i rør udefra.

15

kun ne lede den elektriske strøm i form af ioner (det lig ger i navnet elektrolyt). Elektrolytten er uigennemtrængelig for gas og elektroner og kan bestå af forskelligt materiale, afhængigt af hvilken type brændselscelle, der er tale om. Ty-perne er beskrevet på hjemmesiden. Her betrag-ter vi PEM-celler. PEM står for polymer elec - tro lyte membrane. Ordet membran hentyder blot til, at der er tale om et (tyndt) lag som kun tilla-der passage af visse dele (ioner) mens andre dele (elektroner og gasser) holdes adskilt.

Elektrodeprocessernefor en PEM-celleSom­det­fremgår­af­figur­14b,­sendes­brint­ind­ved den ene elektrode (den kaldes anoden). Her vil­brinten­aflevere­en­elektron­pr.­atom­til­elek­troden, og brintkernerne (H+-ionerne, protoner) vil vandre ud i elektrolytten

Elektronerne løber gennem det ydre elektriske kredsløb over til den anden elektrode (den kal des katoden). I cellens anden halvdel sendes iltmole-kyler ind. De kan reagere med brintkernerne un-der optagelse af 2 elektroner pr. iltatom. Ved den ne delreaktion dannes vand

Hvis man lægger de to reaktioner i cellen sam-men, (2) og (3), bliver den samlede reaktion den velkendte, som kaldes bruttoreaktionen:

Elektronerne, der optages af ilten ved katoden, leveres fra anoden gennem det ydre elektriske kredsløb. Den elektriske strøm i kredsløbet bæres altså af elektroner i det ydre kredsløb og af ioner i det indre af cellen.

Reaktionen mellem brint og ilt til vand er i sidste ende blot en udveksling af elektroner. Det smarte ved brændselscellen er nu, at man “tvinger” brint og ilt til at udveksle elektroner gennem det ydre kredsløb, hvor man kan indsætte sit apparat. Så kan det udnytte, at elektronerne har højere ener-

O + 4H + 4e 2H O2

+

2

- →

2H + O 2H O + energi2 2 2→

Katode (3)

Brutto (4)

gi, når de frigives af brinten, end når de optages af ilten. I stedet for at få energien ud som varme, som ved forbrænding, kan det meste af den tap-pes som elektrisk energi.

Kontrolleret forbrændingVed normalt tryk og temperatur kan de to gasser, brint og ilt, udmærket eksistere side om side, men hvis en blanding af de to i forholdet 2:1 antændes, forløber reaktionen overordentligt kraftigt - det er ikke for ingenting, at blandingen kaldes knaldgas. Når reaktionen mellem brint og ilt forløber frit, frigøres al energien i form af varme - og det er en proces, der er meget svær at kontrollere, når den først er sat i gang. Fidusen ved brændselsceller er også, at de to gas-ser holdes adskilt. Derved risikerer man ikke, at det hele pludselig løber løbsk for én. Men vigti-gere er det nok, at processen i praksis foregår som to adskilte delprocesser. Derved kan man tappe energien direkte fra systemet i form af elektrisk strøm i stedet for at skulle omvejen med først at lave varme og dernæst omsætte denne til arbejde i en generator.

Effektiviteten af cellen, nyttevirkningen eller den totale virknings grad, som den også kaldes, er defineret­som­forholdet­mellem­den­elektriske­energi, man får ud af cellen og den varme, man

Figur 15En brændselscelle forsy­nes med brint fra en urin­pose, og cellen trækker en lille motor. Bogen leverer et pas­sende gastryk. En almin­delig plasticpose er ikke tæt nok til at holde på brinten.

2 H 4H + 4e2

+ -→ Anode (2)

16

ville få ud, hvis brinten blot var blevet afbrændt. Virkningsgraden betegnes med η (eta), dvs.

Den højst opnåelige virkningsgrad afhænger no-get af temperaturen og lidt af trykket i omgivel-serne. Ved 25 °C og 1 atmosfæres tryk kan 83% af brændselsenergien i princippet omdannes til elektricitet. I et traditionelt kraftværk kan det te-oretiske maksimum være 65 %. Her afbrænder man først brændslet i kedlen, som producerer damp, der driver en turbine, som trækker en el-generator (dynamo). Der er altså større rum for optimering af brændselscelleteknologien, netop fordi omdannelsen til elektricitet sker direkte.

Miljømæssige fordeleDen høje teoretiske virkningsgrad for brænd-sels celler åbner for et meget langsigtet per spek-tiv for en bæredygtig elforsyning uden brug af fossile brændsler ( kul, olie, gas ), som pro-ducerer drivhusgassen CO2. Man vil nemlig kunne gemme overskudsenergi fra solceller og vindmøller og andre elanlæg ved at bruge strøm-men til spaltning af vand ved elektrolyse ( fi­gur­17 ). Det giver brint og ilt, som kan gem mes uden større tab i stedet for at gemme ener gien i et traditionelt genopladeligt batteri (akkumula-tor). Batterierne kan ikke så godt holde på ener gien, hvorimod brinten kan gemmes lige så længe man ønsker og derefter anvendes i en brændselscelle, når behovet melder sig.

Sær ligt perspektiv er der i udvikling af rever -si b le celler, dvs. celler, der både kan køre som brændselsceller og som elektrolyseceller, se fi­gur­13.­­Når­der­er­overskud­af­elektricitet­i­sam fundets energisystem, producerer man brint

Figur 16Diagram for undersø­gelse af effektivitet af en brændselscelle ved forskellige belastninger. Først samles strømkred­sen med en bestemt farve ledninger gennem hele kredsen, dernæst indsættes voltmetret pa rallelt med en anden farve ledninger (stiplet). Farveforskellene letter over blik ket. Man måler spæn dings for skel, strøm­styrke, tid og brintforbrug.

Figur 17Et 2V solpanel driver en elektrolysecelle. Brint og ilt opsamles i de to cylin­dre og brinten gemmes, til der er behov for elek­tricitet. Bemærk, at der udvikles dobbelt så me­get brint som ilt.

ved elektrolyse og gemmer brinten. Når der er under skud af elektricitet vender man processen i cellen, så den nu forbruger brint og producerer elek tricitet.

Miljøhensyn har gjort, at man op gennem 1990’ erne begyndte at anvende brændselsceller både i biler og på kraftværker på forsøgsbasis. Affaldet ved forbrændingen i en celle til brint er nemlig rent vand. Vanddamp er ganske vist også en drivhusgas, men den indgår i naturens vandkredsløb og “regner ned” igen. På kort sigt produceres brinten dog fx fra naturgas, hvor der dannes CO2 som spildprodukt. Det må man så gemme. Eller man kan udnytte den miljøfordel, som den højere virkningsgrad giver i brændselscelletyper, der kan udnytte kulbrin-ter, såsom olie og benzin. Fordelen ved ren brint i brændselsceller, i forhold til kulbrinter, er “blot”, at der ikke dannes kuldioxid CO2.

For alle brændsler gælder det, at det er klart, at jo højere virkningsgraden er, des bedre er det for miljøet, fordi man derved skal bruge mindre brændsel for at producere en given elektricitet-smængde eller et givet nyttigt arbej de. Men der er en anden vigtig miljøfordel ved at udnytte brændsler i en brændselscelle frem for ved en fri

A

Celle V

η =elektrisk energi ud

brændselsenergi i forbrugt brint(5)

17

forbrænding. En fri forbrænding foregår nemlig ved en så høj temperatur, at der i luften i og uden om forbrændingskammeret dannes kvælstof-ilter NOx ved reaktion mellem luftens ilt og kvælstof. Kvælstofilter­kaldes­også­nitrogenoxider. NOx er en fællesbetegnelse for N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 og N2O5. Flere af disse er både giftige og bidrager til drivhuseffekten. Det er fx for at hin-dre­kvælstofilter­i­ud­stødningen,­at­moderne­biler­har påmonteret katalysatorer. I brændselscellen derimod­er­temperaturen­så­lav,­at­kvælstofilter­ikke dannes.

Total virkningsgradFor at beregne energiindholdet i brinten, skal vi kende brændværdien HV pr. rumfang brint og måle det forbrugte brintrumfang V. Brænd-værdien kan slås op i en tabel. Den er 12 joule pr. milliliter (ved 25 °C og 1 atmosfæres tryk) ved­omdannelse­til­væske­(flydende­vand).­­Hvis­der fx forbruges 5 mL brint, er energiindholdet 60 J (12 J/mL · 5 mL = 60 J ). Alment fås brænd-selsenergien Ebrændsel som produktet af brænd-værdi og rumfang

Produktet af spændingen U (i volt) over cellens poler og strømstyrken I (i ampere) gennem be-lastningen giver den elektriske effekt P (i watt = joule pr. sekund). Den elektriske energi Eelektrisk (i­joule)­kan­så­findes­ved­at­gange­med­tidsfor-bruget t (i sekunder), så vi får

I­­figur­16­er­vist,­hvordan­man­måler.­Hvis­cel-len fx leverer 0,5 A ved 0,8 V, er effekten 0,4 W (0,8 V · 0,5 A = 0,4 W = 0,4 J/s).

Hvis den gør det i 60 sekunder, giver det 24 J (0,4 J/s · 60 s = 24 J ). Dette skal sættes i for hold til energiindholdet i det rumfang brint, som brænd selscellen forbruger. I eksemplet kan vi tæn ke os et brintforbrug på 5 mL som ovenfor og får så virkningsgraden 24 J/60 J = 40 %.

Brændselscellens totale virkningsgrad η, bliver dermed ifølge (5)

Det teoretiske maksimum er 83 %, hvis slut-produktet er væske og 95 % hvis det er damp. Hvis forholdet i (8) fx er 0,52 betyder det, at virkningsgraden er 52%. Hvis virkningsgraden er meget mindre end maksimum, kan det skyldes indre modstand i brændselscellen. Det nedsætter spændingen over cellens poler, som er den, der leveres til det ydre kredsløb.

For at mindske den indre modstand i større anlæg søger man at pakke brændselscellestakke på snedig vis, så strømvejene i cellernes indre og mellem de enkelte celler bliver så korte som muligt.

Hvordan gøres elektrolytten tynd, så den indre modstand nedsættes? Hvordan bringes gas-kanaler og elektroder i god kontakt? Hvilken overflade­behand­ling­skal­elektroderne­have­for­at katalysere processerne bedst? Hvordan pak-kes lagene, så strømvejen gennem elektroderne bliver mindst mulig? Hvordan pakkes og hvilke materialer skal vælges, så varme ledes bort (til eventuel udnyttelse)?

Tabel 5Brændværdien pr. rum­fang afhænger af tem­peraturen, fordi gasser udvider sig, når tempera­turen vokser. Her er en lille oversigt for brint. Vær­dierne er ved 1 atmo sfæ­res tryk. Brændværdien afhænger også af, om man med reg ner den varme, der fri gi ves, når vandet fortætter til fly­dende væske.

(6)

(7)

Temperatur

°C

Øvre brændværdi omdannelse til flydende vand

J/mL

Nedre brændværdi omdannelse til vanddamp

J/mL

0

20

25

12,75

11,88

11,68

10,79

10,05

9,88

Tabel 6Brændværdien pr. masse er uafhængig af tempera­turen og kan bruges til at sammenligne forskellige brændsler. Brint har en meget større brændværdi pr. masse end alle andre almindelige brændsler. Der skal kun ca. en tred­jedel til i forhold til benzin. Til gengæld må brinten opbevares i tryktanke for ikke at fylde for meget, eller som såkaldte metal­hydrider, der endnu er un­der udvikling.

Brændsel Øvre brændværdi

kJ/g

Nedre brændværdi

kJ/g

Massefyldedensitet, 20°C

g/LBrint

Benzin

Naturgas

Sprit (95%)

142,5

46,0

53,8

28,2

120,1

42,7

48,6

25,3

0,084

720

0,747

810

(8)

E H Vbrændsel V= ⋅

E P t U I telektrisk = ⋅ = ⋅ ⋅

η = =⋅ ⋅

⋅

E

E

U I t

H Velektrisk

brændsel V

18

Figur 18Den maksimale virk nings­grad af en brænd selscelle til brint aftager med vok­sende tempera tur (Gibbs­virknings grad, blå kurve). Den maksimale virknings­grad af et traditionelt kraft værk vokser med temperaturen (Carnot­virk ningsgrad, rød kurve). De to virkningsgrader ud­dybes på hjemmesiden. Kombineres en brænd­sels cel le med en gas tur­bine, der udnytter varme og tryk i udstød nings­gasserne, kan det i nogle tilfælde betale sig at køre cellen ved højere tempe­ratur, selv om Gibbs­virknings graden her er lavere, se figur 23b.

Indre modstandFigur 19 viser et sæt målinger på en PEM-celle. Man ser at spændingen ved små belastninger falder stærkt med øget belastning (øget strøm-styrke).­Derefter­flader­spændingskurven­ud,­så­polspændingen, dvs. spændingen over cellens poler, falder langsommere ved større belastning. For praktiske anvendelser må vi have en strøm af en vis størrelse, og her kan vi beskrive cellens opførsel ved en lineær model. Vi indlæg ger en ret linie, der beskriver tenden sen i spændings-faldet uden at tage hensyn til det første stejle stykke af kurven. Vi kan så beskrive cellens op-førsel ved en lineær model for polspændingen U:

Ri

U0 - Ri · I

U +-

Figur19 a, ba) tv. Målinger på 1 cm2 brænd selscelle ved for­skellige belastninger (IRD, Svendborg). Grafen for spændingen kan op­fattes som sammensat af to linie stykker med hver sin hældning. b) th. Diagram, der kan bruges som model for cellens opførsel ved mid­delstor belastning.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Strømstyrke [ A ]

Spæ

ndin

g [ V

]

Effe

kt [

W ]

Cellens spænding [ V ] Cellens effektivitet η [ 1 = 100% ] Effekt [ W ]

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,70

0,56

0,42

0,28

0,14

0,00

hvor I er strømstyrken. U0 er hvilespændin gen, dvs. liniens skæring med y-aksen, der hvor I = 0 A og cellen “hviler”. Sammenlignes med lig nin gen for en ret linie, y = b + ax, kan Ri fortolkes som den indre modstand i elektrolytten og­findes­ud­fra­liniens­hældning.­­

Ved­hjælp­af­den­stiplede­linje­i­figur­19a­be-stemmer vi hæld ningen på den sorte linie til (0,47 V - 0,83 V) / 1,4 A = – 0,26 V/A, dvs. Ri = 0,26 Ω. Den indre modstand i cellen er cirka 0,3 ohm ved middelstor belastning.

Ved U­=­0­V­finder­vi­cellens­maksimale strøm-styrke, nemlig Imax = U0 / Ri. Her ville liniens tænkte forlængelse til højre skære x-aksen. Vi får Imax = 0,83 V / 0,26 Ω = 3,2 A, som er den maksimale strømstyrke, denne celle kan levere.

Det har fx vist sig at have størst virkning at køle den elektrode, hvor der ikke udvikles vand. Da Kyndby elværk lavede forsøg med kom-mercielle celler (dvs. celler, der handles frit på markedet) måtte de ikke åbne dem. Vi kender kun RISØ-Topsøe’s teknik i nogen detalje.

HJÆLPEBRIKSammenlign formlen med formlen y = b + ax. Her svarer y til polspændingen U, mens x svarer til strøm­styrken I. Konstanten b svarer til skæ­rin gen U0 med y­aksen og konstanten a sva rer til hældningen ­Ri. Skæringen Imax med x-aksen findes ved at sætte y = 0 og løse for x, dvs.

(9)

U U R I= − ⋅0 i

0 = − ⋅

⋅ =

=

⇔⇔

U R I

R I U

IU

R

0 i

i 0

0

i

max

max

max

U U R I= − ⋅0 i

Temperatur [ °C ]

Virk

ning

sgra

d [ %

]

19

x2

y2 - y1

x

x

x1

y1

y2

x2 - x1

a > 0

x2

xx

x1

y2

y1

x2 - x1

a < 0

HJÆLPEBRIK Liniens hældning

Den rette linie har ligningen y = ax + b, hvor konstanten a kaldes hældningen. Konstanten b bestemmer liniens skæring med y­aksen, idet y = b for x = 0. Dvs. b kan aflæses di rek te fra grafen. Det kan man til gengæld ikke gøre med konstanten a. Derfor gør man følgende:

Man markerer og aflæser koordinaterne til to frit valgte punkter (x1, y1) og (x2, y2) på linien, se figur 19c. Hældningen a beregnes som forholdet mellem ændringen i y­værdi og ændringen i x­værdi

Denne formel beviser man i matematik (huske regel: y skal stå oppe på brøkstregen ‘fordi y­aksen peger opad i koordinatsystemet’). Hvis hældningen fx er ­ 0,2 V/A, betyder det, at spændingen (volt) falder med 0,2 V når strømstyrken (ampere) forøges med 1 A.

Bemærk, at det er lige meget, om det er punkt 1 eller 2, der står forrest i formlen. Prøv med et eksempel! I princippet er det også lige meget, hvor på linien man vælger punkterne. Men i praksis gælder, at jo længere fra hinanden man vælger dem, jo mindre rolle spiller unøjagtigheden i aflæsningen. Bemærk også, at hvis man er smart at vælge “pæne” x­værdier, må man ikke samtidig forvente pæne y­værdier. Hældningen kaldes også stigningstallet eller hældningskoefficienten.

lastning. Den konstante modstand Re tilskrives almin­delige ledningstab i elektrolytten. Fx tab ved ionernes sammenstød med molekylerne i elektrolytten.

Ved større belastning falder polarisationsmodstanden meget, så det mest er modstanden i elektrolytten, der har betydning. Man kunne tro, at polarisationsmod­standen ikke havde så stor praktisk betydning, fordi den kun er til stede ved små belastninger, som ikke har praktisk anvendelse. Men desværre. På grund af det stejle fald i spændingen på det venstre stykke af kurven, vil hvilespændingen U0 i modellen (9) ligge væsentligt lavere end det punkt, hvor den målte kurve starter på y­aksen. Polarisationsmodstanden sænker mo dellens skæring med y­aksen. Og det er alvorligt, fordi modellen beskriver det praktisk anven­delige område. En lavere spænding her betyder en lavere virkningsgrad og dermed en dårligere udnyttelse af brændslet.

BOREPLATFORM Polarisationsmodstand

Op til ca. 0,03 A er kurven i figur 19a stejlere end ved større strømstyrker. Indlægges en ret linie som tendens for det stejle stykke, finder man, at linien svarer til en indre modstand på ca. 2,4 Ω. Det er 2,1 Ω mere end de 0,3 Ω ved større belastning. Forskellen på 2,1 Ω fortolkes som en polarisationsmodstand Rp ved elektro­derne. Polarisationsmodstanden tilskrives tab i selve de elektrokemiske reaktioner i grænsefladerne mellem elektroder og elektrolyt. Fx tab ved iondannelse – “polarisation”. Det er i nedbringelse af polarisations­modstanden, at de store fabrikationshemmeligheder i skrivende stund ligger.

Den indre modstand Ri består altså af to bidrag Ri = Re + Rp. Det faste bidrag Re = 0,3 Ω opfattes som en modstand inde i elektrolytten og kaldes elek­trolytmodstanden. Denne modstand er nogenlunde kon stant, mens Rp = 2,1 Ω forsvinder ved større be­

Figur19 c, dc) Linie med positiv hældning. d) Linie med negativ hældning.

ay yx x

=−−

2 1

2 1

20

Maksimal effektDen elektriske effekt man får ud af cellen af-hæn ger af hvordan man belaster den. Nu mel der spørgsmålet sig om, hvor cellen giver størst ef-fekt. Man kan måske gætte, at det må være et eller andet sted, hvor hverken spændingen eller strømstyrken er for lille. For der er ingen effekt i at levere en spænding uden strømstyrke og hel-ler ikke nogen effekt i at trække en strømstyrke uden spændingsforskel. Effekten P, som måles i watt, er spændingsforskellen U, som måles i volt, gange strømstyrken I, som måles i ampere. Så effekten må være størst, når dette produkt er størst. Ved at gange polspændingen U i (9) med strømstyrken I­finder­vi­effekten­P

Effekten afhænger af strømstyrken, som vist på kurven­figur­20.­­Kurven­kaldes­en­pa ra bel. Kurven er symmetrisk mellem sine to nul punk- ter, og topper i Itop = ½ Imax, hvor spæn din gen er Utop = ½ U0.

Med­tallene­fra­linien­i­figur­19a­får­vi­Itop = ½ ·3,2 A = 1,6 A og Utop = ½ ·0,83 V = 0,415 V , som giver den maksimale effekt P = 0,415 V ·1,6 A = 0,66 W. Toppunktet for effekten ligger altså lidt længere til­højre­i­figur­19a.­Bemærk­også­kurven­for­η , fx betyder η = 0,5 at virkningsgraden er 50 %.

Kompromis mellem effekt og virk ningsgradDet viser sig, at virkningsgraden er større, jo større­polspænding­cellen­har,­se­figur­19a.­­Ved­maksimal effekt så vi, at polspændingen kun var det halve af hvile spæn dingen.

Det betyder desværre, at virk ningsgraden ved maksimal effekt højst kan blive halvt så stor som det teoretiske maksimum på 83%, altså cirka 41,5%. Dvs. at 41,5% af brændværdien kan le-veres som elektricitet ved maksimal effekt mens resten, 58,5% leveres som varme. Der står cir-ka, fordi den lineære sammenhæng (9) er en tilnærmet model.

Man kan køre med en større virkningsgrad, hvis man belaster cellen mindre, dvs. trækker en min-dre strømstyrke og dermed opretholder en større polspænding. Taler vi om elværker vil man også ønske overkapacitet for at have større forsy-nings sikkerhed.

Nogle gange er varmebehovet dog stort, og man er så glad for “spild”varmen og er måske ikke så interesseret i høj virkningsgrad for elektri-citet. Fx i husstandsanlæg der kan erstatte olie- eller gasfyr. Ved anvendelse i biler vil plads- og vægthensyn gøre, at man under kraftig accelera-tion må regne med at skulle operere i nærheden af maksimal effekt. Her vil der så være en del spildvarme.

P U I U I R I= ⋅ = ⋅ − ⋅0 i

2 (10)

Figur 20Effektivitet og effekt. Effektiviteten af brænd­sels cellen falder ligesom polspændingen med vok­sende belastning (strøm­styrke), se også figur 19a. Effekten vokser til en mak simal værdi og afta­ger igen (rød kurve).

U0

Itop = ½ Imax

Up

I

PPmax

Utop =

½ U0

Imax

21

Figur 21a Elektrolysecelle af PEM­type. Den omvendte pro­ces af figur 14. En elek- trisk spænding på et par volt lægges over elek tro­derne, og vandet spal tes i brint og ilt. Elektrolysen hjælpes ved at platinkor­nene på elek trodernes kultæppe virker som kata­lysatorer for processen. H+­ioner leder strømmen i elektrolytten.+H

H

H+2

O2

H O2

-

-

-

-

+-

ElektrolyseI elektrolysecellen spaltes vand, og der dannes brint under forbrug af elektricitet ifølge den om-vendte reaktion af (4)

For elektrolysecellen er der tale om produktion af brint og forbrug af elektrisk energi, så vi de-finerer­elektrolysecellens totale virkningsgrad η som

Læg mærke til, at det blot er det omvendte forhold af virkningsgraden (8) for en brænd-selscelle. I elektrolysecellen omsættes jo elek-trisk energi til brændselsenergi, omvendt af brændselscellen.

Figur 22Eksperimentel påvisning af Faradays love: Den ud­viklede brintmængde er proportional med tid (øverst) og strømstyrke (nederst). Ved elek trolyse af godt 2 liter vand fås brint med en brændsels­energi som 1 liter benzin.

Figur 21bKlassisk elektrolyse­apparat. Her hjælpes pro cessen ved tilføjelse af ioner til vandet, fx en opløsning af NaOH, hvor OH­­ioner leder strøm men i vandet. Gas­serne opsamles i reagensglas. Blandingen er eksplo­sionsfarlig (knaldgas). Pas på ikke at bytte om på ledningerne, mens der produceres gas. Princippet i en brændselscelle blev opdaget efter elek trolyse og forklaret af William Grove allerede i 1839.

H2 O2

H2O

O2H2

H2O

H2O

e-e-

e- e-

Katode Anode+-

OH-OH-

OH-

4 4 4 22 2H O e OH H+ → +− − 4 2 42 2OH H O O e

− −→ + +

(11)2H O + elektricitet 2 H + O2 2 2→

η = =⋅energiindhold i produceret brint

elektrisk energi forbrugt

VH VV

U I t⋅ ⋅(12)

Tid [ s ]

Brint ved elektrolyse, t = 120 s

Strømstyrke [ mA ]

Brint ved elektrolyse, I = 300 mAVo

lum

en [

mL

]Vo

lum

en [

mL

]

22

Lidt historieSelve ideen i brændselsceller er næsten lige så gammelkendt som elektriciteten. Allerede i 1839 observerede fysikeren William Grove, at når han havde elektrolyseret en opløsning af fortyndet svovlsyre med platinelektroder, kunne han måle en lille elektrisk strøm, efter at han havde koblet sin strømkilde fra. Ved den elektrolyse, som han selv havde sat i gang, udviklede han ilt og brint ved en spaltning af vand. En ganske lille mængde af de to gasser sad tilbage på hver sin elektrode efter forsøgets afslutning, og det, der forårsagede den elektriske strøm var, at iltmole-kylet spaltedes under dannelse af to iltioner (der straks reagerede videre med syren i opløsningen under dannelse af vand) og brintmolekylet spal-tedes under dannelse af to brintioner.

Der gik lang tid, før nogen prøvede at lave reak-tionen under så kontrollerede omstændigheder, at energien kunne udnyttes i stedet for at lave et ordentligt knald, som den gør ved antændelse af knaldgas. Adskillige forsøg strandede på tek-niske problemer, og først da en englænder ved navn F. T. Bacon forsøgte sig med en celle, der som elektrolyt anvendte kaliumhydroxid i vandig opløsning, begyndte der at komme skred i den teknologiske udvikling. Hans arbejdstem-peratur var 200 grader, og han tilførte sine gas-ser, brint og atmosfærisk luft, under et tryk på 45 atmosfære.

Det var dog rumforskningen, der for alvor gav brændselscellerne deres gennembrud. På rejse i rummet stilles der et væsentligt krav til rakettens drivmidler: Brændslet må ikke veje for meget i forhold til den energimængde, som det yder - for det koster også energi at transportere det nødvendige brændsel med sig. Brint har et højt energiindhold pr. kilogram, se tabel 6. Når man altså alligevel slæber en masse brint med til raketten, er det praktisk at bruge lidt af det til elproduktion i brændselsceller. Så kan man også drikke affaldet! Faktisk er det ved rumrejser sådan i dag, at den producerede vandmængde fra elsystemet indgår i “bagagen” som brugsvand for astronauterne – dermed sparer man nog le kilogram i oppakningen! I øvrigt må brændslet

heller ikke forurene verdensrummet mere end højst nødvendigt. Dette indfries på bedste vis af brint, der ved forbrænding med ilt som eneste spildprodukt har vand.

Forskning og teknologisk udviklingForskningen i brændselsceller til dækning af civile behov lå stille nogen tid, men især i 1990’erne blev den taget op igen - denne gang på grund af det stigende behov for energi og den voksende bevidsthed om forureningstruslen fra de mere traditionelle energiteknologier.

For bilers vedkommende kom der gang i ud-viklingen omkring starten af det nye årtusind. Desværre er konstruktionen indtil videre dyr. Først og fremmest fordi teknologien ikke er modnet endnu, men også fordi cellestak og elmotor er to enheder, mens benzinmotoren

23

er én enhed. Til gengæld kan bilens øvrige kraftoverførsel forenkles betydeligt med “kør-med­ledning”­princippet­(drive­by­wire,­se­figur­34c). Elmotorer kan sættes helt ind i de træk-kende hjul, og effekten fra cellerne overføres så med ledninger frem til hjulene i stedet for med mekaniske overføringsprincipper som tandhjuls-gear og differentiale. Det giver en besparelse, som sammen med de sparede brændselsudgifter trækker den rigtige vej. Princippet er til dels kendt fra moderne tog, hvor der dog er gearing. Og måske vil fremtiden også tegne sig lysere for brændselsceller i biler af andre grunde. Miljøhensyn bliver mere og mere afgørende, og allerede­nu­kender­vi­i­Danmark­og­flere­andre­lande til miljøafgifter, der skal regulere forbruget hen imod mere miljøvenlige energiteknologier. Så hvem ved?

Sønderjyllands Højspændingsværk har i samar-bejde med Naturgas Syd haft et 200 kW anlæg med fosforsyrebrændselsceller (PAFC) kø ren de på forsøgsbasis i Toftlund. Anlægget pro du ce-rede både elektricitet og varme. Virk ningsgraden startede på 42 % el og faldt efterhånden til 36 %. Man sendte el ud på det offentlige net og varme ind i fjernvarmenettet, idet man var kob let på et kulfyret fjernvarmeanlæg.

Anlægget fungerede også som nødstrømsanlæg for fjernvarmeanlægget og kunne producere tilstrækkelig effekt til at trække pumperne i tilfælde af strømsvigt fra el-nettet. Faktisk er anvendelse som nødstrømsanlæg en lovende niche for brændselscelleanlæg. Cellerne og vek-selretteren (konverteren, omsætter fra jævnstrøm til vekselstrøm) fungerede fantastisk godt på Toftlund-anlægget, men der blev med tiden problemer med hjælpegrejet (små plasticpump-er, tærende rør). Tilsvarende har Kyndbyværket haft opstillet et anlæg, der benyttede sig af cel-ler, der som elektrolyt havde smeltet carbonat (MCFC). Anlægget kunne give en total effekt på 7 kW. Det er ikke meget - men driften gav værdifulde erfaringer, der på længere sigt kan omsættes i en storskalaproduktion.

Siden 1989 har man i den danske energiforsk-ning satset mest på fastoxidbrændselscellen, SOFC. For det første menes denne brændsels-celle at have det største potentiale til stationær elproduktion, og for det andet er det den

Figur 23a Mange bilfirmaer tilbyder allerede i dag biler med brændselsceller, hvor det er lykkedes at pakke det hele sammen under mo­torhjelmen, så bilen ude­fra ikke kan skelnes fra benzindrevne. Sådanne biler må betegnes som “overgangsformer”. Her ses til afprøvning en cellestak fra et dansk udviklingsfirma, IRD Fuel Cells A/S, Svendborg. Cellestakken er den sorte kasse midt i højre side. Resten er måleudstyr i bagagerummet på en Fi at.

Figur 23b Verdens første 220 kW kraftvarmeværk med kombineret brændsels­celle­gasturbine, Sie­mens­Westinghouse. Brændselscellerne be­finder sig i den hvide tryktank, mens gasturbi­nen ligger skult i den forreste del. I 2003 var der stadig problemer med konstruktionen.

24

brændsels celle type, der på daværende tidspunkt var mindst udviklet og derfor åbnede størst mu-lighed for, at Danmark kunne omsætte forsknin-gen i produktion på længere sigt. I 2003 vedtog man også at satse på PEM-celler. I 1995 opnåede man på RISØ at bygge en 70-celle stak af SOFC-celler, der var konstrueret på en sådan måde, at cellerne var fordelt i 7 stakke med 10 i hver. De var sammensat på en måde,­så­man­kunne­koble­én­eller­flere­stakke­fra i til fælde af problemer. Kun de 50 celler kunne, da det kom til stykket, kobles til en stak. Til gengæld var maksimumeffekten fra denne stak 507 watt, hvilket man anså som tilfreds stil-lende, idet man opererede med et oprindeligt mål på 500 watt for hele stakken. Efter testen

blev de enkelte dele undersøgt meget grundigt. Det viste sig, at celleforbindelsespladen krum-mer under driften. Det giver utætheder, så der slipper brint ind til katoden og luft ind til an-oden. Det betyder, at brinten brænder i stedet for at indgå i den katalytiske reaktion ved elek-troden.

Der skulle altså forskes en del i forbedring af denne plades stabilitet, ligesom der lå et arbejde i at forske yderligere i tætningsteknikken for resten af cellen. I november 2001 kunne man starte forsøg med masseproduktion af en ny type celler­i­et­præpilotanlæg­i­samarbejde­med­fir-maet Haldor Topsøe. Der opskaleres fra produk-tion pr. håndkraft. Man bruger sprøjterobotter, der pålægger elektroder og elektrolyt lagvis. Ved udgangen af 2002 lykkedes det at nå op på 400 celler om ugen. Søren Linderoth, Risø, skønnede i 2002 at de første handelsmæssigt anvendelige SOFC-anlæg vil være klar omkring 2010. Til den tid kan det føre til mange højtek-nologiske arbejdspladser i Danmark, fordi Hal-dor Topsøe A/S kan forvente at blive en central aktør i den europæiske SOFC-produktion.

FremtidPå langt sigt kan man forestille sig en bære dyg-tig elforsyning, uden brug af fossile brændsler, ved at kombinere brændselscelle anlæg med vindmøller og solceller. Når det blæser kan møl-lerne skaffe strøm, når det er lyst kan solcel-lerne levere, – og laves der overskudsstrøm i perioder, kan den bruges til elektrolyse af vand, hvorved man kan oparbejde en reserve af brint til vindstille og mørke perioder.

På lidt kortere sigt kan man forestille sig op-varm ning af boliger med naturgas ved brænd-sels celler. Et 5 kW-anlæg, der kan levere den nød ven dige mængde varme og elektricitet til en almindelig husstand, vil fylde ca. det samme som et almindeligt fyr gør i dag. Den miljø-mæs sige gevinst er stor – ikke mindst fordi brændselsceller som tidligere nævnt ikke pro-ducerer NOx-gasser eller slipper svovl ud i nævneværdigt omfang.

Figur 24a Model af pakketeknik i ældre RISØ­brændsels­cellestak (SOFC­type). Brint og ilt (luft) tilføres i lamel agtige strukturer, der kryd ser hinanden med elektrolytten imel lem. Luft kan så tilføres forfra (blå slange) til alle celler på én gang, mens brændsel tilføres fra siden (grøn slange).

25

Hvor de næste skridt tages er svært at sige, bilin-dustrien eller kraftværkssektoren. Mange bilfa-brikker har prototyper klar, men der er også kraft anlæg til salg. Begge dele er dog indtil vi-dere alt for dyre. Følg med på nettet. I første omgang vil udviklingen måske drives frem af niche markeder såsom bærbar elektronik og de omtalte nødstrøms anlæg. Og anlæg i hav-nelig gende skibe, hvor elproduktionen kan ske lydløst i stedet for i ge neratorer drevet af de noget larmende skibsmotorer.

På kort sigt vil jeg foreslå, at man i Danmark laver forsøg med reversible elektrolyse/brænd-selscelleanlæg, der kan fungere som stødpude-anlæg for den vekslende elproduktion fra vores vindmøller; strøm som vi nogen gange må sælge alt for billigt til udlandet. På endnu kortere sigt kunne man forsøge sig med reversible anlæg, der føder gas ind i naturgasnettet, når der er eloverskud og gasdrevet elektricitet ind i elnet-tet, når der er elunderskud. Transportsektoren kan eventuelt kobles på med brintgasbusser, sådan som man er i færd med i Malmø i Sverige og Reykjavik på Island.

Figur 24bDetalje, der viser paknin­gen af lagene i 3 celler i serieforbindelse. Cellerne produceres i dag i ca. 12 cm x 12 cm og man eks­perimenterer med andre udforminger af koblingen mellem cellerne. De kom­mercielle celler (MCFC), som blev afprøvet på Kyndbyværket, måtte man ikke få lov at se ind­ven dig. En stor del af fa­brikationshemmelighederne knytter sig til elektroder­nes katalytiske overflader.

BOREPLATFORM Lagring af brint

På langt sigt må man forestille sig, at man har udvik let højeffektive solceller og brænd sels celler til brint. Elek-trici tets overskud bruges til brintproduktion, som blandt andet­anvendes­i­transportsektoren.­De­fleste­miljøpro­blemer ved ener gi produktion og -forbrug er derved løst.

Men et problem er tilbage: Brinten skal opbevares på en form, der ikke giver eksplosionsfare. Det kan gøres ved at gemme den inden i metaller! Visse metaller, fx palladium, har nemlig den egenskab, at de kan optage utrolig meget brint. Så meget, at der kan være op til et brintatom pr. metalatom. Og det betyder at brinten fra at være en gas ved atmosfæretryk bliver “stuvet sammen”, som om den selv var frosset, så den kun fylder en tusindedel af, hvad den fylder i gasform. Der dannes et metalhydrid. Der forskes­allerede­i­dette.­Man­er­nødt­til­at­finde­et­andet­

materiale end palladium, da det er lige så dyrt som guld. Yttrium kan bruges, men det er næppe heller billigt. I 2001 begyndte et større forskningsprojekt støttet af Videnskabs-ministeriets program “Større Tværgående Forskergrupper”. Man har målt på magnesium og aluminium (som ikke er dyre) og vil også teste nye materialer, som aldrig før er blevet sat i forbindelse med brintlagring. Deltagerne er Risø, Aarhus Universiet, DTU, Haldor Topsøe A/S, IRD Fuel Cells og Danfoss A/S. I 2003 godkendte det ameri-kanske transportministerium en tank fra ChevronTexaco baseret på titanpulver. Tanken koster ca. 55.000 kroner pr. kg lagerkapacitet. En brintbil kører ca. 100 kilometer pr. kg brint. Bilindustrien mener at rækkevidden skal være minimum 500 km for en anvendelig bil. Også her er der brug for mere forskning.

+3 V

+2 V

+1 V

0 V

Luftelektrode(porøs katode)

Elektrolyt (gastæt)

Brændselselektrode(porøs anode)

Celleforbindelse(elektronleder,ion-isolator, gastæt)

Brændsel

Elektriskstrøm

Elektriskstrøm

Luft

26

BRÆNDSELSCELLER

Opgaver

201En brændselscelle kobles til en ydre belastning (motor eller lignende). a. Hvilke ladede partikler bærer strømmen gennem det ydre kredsløb? b. Gennem elektrolyttens indre?

202En brændselscelle leverede 208 mA ved 0,695 V i 180 s under et forbrug på 5,7 mL brint.a. Beregn effekten. b. Beregn virkningsgraden.

203Gør rede for, at delreaktionerne ved de to elektroder i det klas-siske­elektrolyseapparat­figur­21b­som­bruttoreaktion­giver­spaltning af vand i brint og ilt.

204Ved elektrolyse i 120 s ved 1,8 V og 500 mA udvikledes 4,5 mL brint. Beregn virkningsgraden.

205Brændselscellen­i­figur­15­blev­prøvet­ved­to­forskellige­be-lastninger. Ved en belastning på 0,5 ohm leverede den 0,59 V og 707 mA i 52,72 sekunder under et forbrug på 5,0 mL brint.

Ved en belastning på 2,0 ohm leverede den 0,68 V og 300 mA i 76,39 sekunder under et forbrug på 3,0 mL. a. Beregn effekten og virkningsgraden ved de to belastninger.b. Ved hvilken af de to belastninger udnyttes brændsels-energien bedst?

206Samme målinger som i opgave 205. Som model for cellens opførsel vil vi nu benytte en ret linie (9). a. Indtegn de to målesæt for strøm og spænding i et (I, U) -koordinatsystem på mm-papir.b. Tegn den rette linie gennem de to målepunkter.c. Hvor stor er hvilespændingen?d. Find liniens hældning. Hvor stor er den indre modstand? (Husk at omregne mA til A).e. Hvor stor en strømstyrke vil cellen kunne levere, hvis den ellers kan tåle det?

207 Lidt svær! Samme celle som i opgave 205. Du skal bruge svarene fra opgave 205 og 206.a. Hvor stor bliver den største effekt, cellen vil kunne levere?Antag, at virkningsgraden er proportional med polspæn-dingen.b. Hvor stor bliver virkningsgraden ved maksimal effekt?

Figur 25aEn ubåd, klasse 214 med PEM­celler fra Siemens. Cellerne befinder sig i ‘ska-bene’ midt i båden (grå).

27

Arbejdsspørgsmål

208Brændselscellerne er en variant af et almindeligt batteri. Hvad er ulempen ved et almindeligt (ikke-genopladeligt) bat-teri i forhold til en reversibel elektrolyse/brændselscelle?

209Der­findes­også­genopladelige­batterier.­Hvad­er­ulempen­ved­et genopladeligt batteri i forhold til en reversibel elektrolyse/ brændselscelle?

210Hvad står PEM for?

211Lav din egen tegning af en brændselscelle med elektroder, elektrolyt­m.m.­som­figur­14.

212Hvad er knaldgas? Hvordan undgår vi den? Hvilken fejl kunne­man­begå,­så­man­utilsigtet­fik­dannet­knaldgas?

213I­figur­18­fremgår­det,­at­virkningsgraden­for­en­brændsels­celle til brint falder med temperaturen. Alligevel kan det være en ide at arbejde ved høj temperatur, og lade udstødningen (der­så­bliver­vanddamp)­drive­en­dampturbine,­se­figur­23b.­Hvorfor kan den høje temperatur være en god ide?

214En husstand bruger ca. 5 kW til el og varme. Hvor mange husstande­kan­anlægget­i­figur­23b­forsyne?

215Hvad er fordelen ved brændselscellen i forhold til rumrejser?

216I en brændselscelledrevet bil er der to enheder, der tilsammen svarer til benzinmotoren. Hvilke­enheder­er­det?­Udpeg­disse­enheder­på­figur­3,­13­og 34c.

217Kraftoverførslen kan foregå direkte til hjulakslen fra elmo-toren. Hvad gør man ved benzinmotorer?

218Hvad er fordele og ulemper ved brændselscelleteknologien i forhold til benzinteknologien, som vi kender fra bilerne i dag?

219Metaller kan bruges i forbindelse med lagring af brint. Hvilke fordele og ulemper har metoden?

Figur 25bEt PEM­”batteri” med 9 moduler, som kan anven des i ubåde og skibe. Modulerne er 2 m x 2 m. De leve rer strøm fra en lydløs reaktion mel lem brint og ilt.

28

PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET?

Kapitel 3

Hundrede år lyder af lang tid, men der har faktisk været “tusindårsriger” på Jorden, dvs. samfund med kulturel sammenhæng gennem mange hundrede år. Det gælder fx i Ægypten fra cirka 2800 f.Kr. til 1600 f.Kr. Af andre langva­rige kulturer kan nævnes den babylonske (seks tusind år siden), den græske (to et halvt tusind år siden) og romerriget (to tusind år siden).

Vores nuværende samfund ser ikke særlig sta­bile ud. Der er hurtige forandringer og kulturelle brydninger. Konflikter mellem folkeslag har en tendens til at udvikle sig lettere til krige end til gensidige aftaler. Og der er tegn på begyndende kamp om resurser som energi og vand. Men det er måske ikke noget nyt, og brintsamfundet er

Samfundsudvikling i perspektivI årtusinder har mennesket opfundet maskiner, står der i kapitel 1. Det gør vi stadig. Det nye er, at den menneskelige aktivitet i dag er så kraftig, at den ser ud til at påvirke kloden som helhed. I et hundredårigt perspektiv ser det derfor ud til, at vi må finde nye måder at indrette vores aktivi tet på, hvis påvirkningerne ikke skal vokse ud af kontrol.

Brintsamfundet er en mulighed. Det bygger sin energiforsyning på brint og elektrici tet. Brinten er energibærer sammen med elektri citeten. Elek­triciteten fås fra rene energikilder – måske med solceller som største bidrag på langt sigt. Elek­triciteten bruges også til at producere brint til anvendelse i biler.

Figur 26aSolens energiudsendelse stammer fra frigivet ener- gi når brint omdannes til helium ved fusion. Der er rigeligt til os i astronomisk tid fremover – milliarder af år – hvis vi kan lære at “høste” energien.Her går Solen ned over Skal lingen set fra Rindby Strand, Fanø.

29

PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET?

ikke nogen patentløsning, der fjerner sådanne kon flik ter.

Men brintsamfundet letter presset på fos sile e nergikilder. Også af den grund er brintsam­fun det et godt bud, hvis vi gør os håb om en sam funds mæssig udvikling med hundredårige per spek tiver. Samtidig forurener det mindre og på vir ker klimaet mindre, fordi der ikke udledes driv hus gasser.

Menneskehed og JordklodeI løbet af 1990’erne begyndte man på interna tio­nalt plan at bekymre sig om den mulige op varm­ning af atmosfæren. Opvarmningen forven tes som følge af drivhusvirkningen i atmosfæren fra et voksende indhold af kuldioxid, CO2, der skyldes afbrænding af fossile brændsler. Op­varmning af atmosfæren kan føre til uønskede klimaændringer. Hvis fx indlandsisen smelter og vandstanden i verdenshavene dermed stiger, oversvømmes mange byer og samfund i lav­lands områder nær havet. Man taler om et par graders temperaturstigning over en hundredårig periode. Det lyder ikke af så meget, så ikke alle er lige bekymrede. Man arbejder på at forfine de modeller, der beskriver hvordan kuldioxiden (CO2) indgår i kredsløb i atmosfæren, planterne og havet, se figur 32. Og der er en anden vigtig mekanisme, som påvirker klimaet, nemlig So­lens aktivitet, dvs. antallet og størrelsen af sol­pletter. En større aktivitet på Solen giver færre skyer, som betyder en opvarmning af jorden.

Men der er ingen tvivl om, at den menneskelige aktivitet i form af energiomsætning og CO2­udledning har nået et niveau, hvor den ikke længere “drukner” i naturens tilfældigheder. Fra industrialiseringens start er indholdet af CO2 i atmosfæren vokset med næsten en tredjedel over et par hundrede år på grund af afbrænding af kul og andre fossile brændsler.

Der har været perioder i Jordens historie, før det industrialiserede menneske, hvor der har været store udsving i CO2­indholdet. Det ved man fra iskerneboringer ned i indlandsisens hun dred­tusindårige snelag både i Grønland og på Ant­arktis, se figur 31. Der er altså store ændrin ger, som påvirker klimaet uden menneskets indfly­delse, og som vi ikke i øjeblikket kan gøre os håb om at styre. Men vores egen påvirk ning af omgivelserne i dag er nu på niveau med de variationer Jordens geologiske processer giver anledning til. Man kan drage to forskellige kon­klusioner af denne sammenligning.

1) Vores påvirkning af klimaet er ikke stør re end de naturlige variationer, så der er ingen grund til bekymring. – Eller

2) Vores påvirkning af klimaet har nået et niveau, hvor påvirkningerne kan sammen­lignes med globale geologiske mekanismer, så der er grund til forsigtighed.

Når vi nu ved, at det er teoretisk muligt at lave et rent energisystem, så synes jeg, at det er uan­svarligt ikke at forsøge at gøre det. Samtidig er det en spændende udfordring at udvikle teknolo­gierne til at virke i praksis på en måde, der også er økonomisk realistisk for samfundet.

Figur 26bBrintsamfundet kræver ny teknologi for at kunne vir keliggøres. Flyet til venstre er under ombyg-ning af studerende og forskere på Worcester Polytech nics Institute. Man venter, at det letter i 2004 og bli - ver verdens første brint drevne fly med brændsels celler.

Figur 26cTankstation for brint og naturgas i Malmø, Indu-strigatan/Nobelvägen. En overgangsløsning, hvor gammel og ny tek nologi lever side om side. Det letter vejen til brintsam-fundet. Her kan man tan ke ren brint (vätgas), eller ren naturgas eller blan dinger.

30

BOREPLATFORM Reserver eller resurser?

Oliereserverne er den mængde olie, vi kender placeringen af, og som kan hentes op. Dvs. i oliefelter, hvor man har boret og nogenlunde kender omfanget af feltet. De udnyt­telige olieresurser er større og bygger på bredere geolo giske undersøgelser. Den klokkeformede kurve i figur 30b er ka rakteristisk for såkaldt logistisk vækst og blev indført af M. King Hubbert i 1959, hvor han forudsagde, at USA’s produktion ville toppe i 1970. Det gjorde den nu ikke, men i begyndelsen af 1970’erne kom energikrisen, hvor mange olieproducerende lande hævede olieprisen voldsomt. Fra 1973 til 1974 femdobledes prisen. Siden er olieproduktionen vokset langsommere, se figur 31a. Om kurvens krum ning er ved at vende, og hvornår toppen nås, er endnu usik kert. I dag forudsiger man, at Dan marks olieproduktion vil toppe omkring 2010.

BOREPLATFORM Fossile energikilder

Fossile energikilder er kul, olie og naturgas, som man henter nede i jorden fra omdannede døde organismer. Et “fossil” er også en forstening af et dyr eller en plante, men ordet bruges altså her i en lidt bredere betydning. De fossile ener gikilder indeholder alle kulstof og er aflejret gennem mil li oner af år. Vi brænder dem af i løbet af nogle hundrede år for øjeblikket. Det giver en voldsom stigning i udled ning af kuldioxid til atmosfæren og påvirker sandsynligvis klimaet.

BOREPLATFORM Solpletaktivitet og klima

Det er ikke kun drivhuseffekten, der påvirker temperaturen på jorden. Det gør også aktiviteten af solpletter. Solpletter er områder på Solens overflade med særligt stærke magnet­felter. De stærke magnetfelter rækker langt uden for Solen og skærmer for kosmisk stråling, som ellers hjælper med skydannelsen i Jordens atmosfære. Det betyder, at det bliver varmere, når Solen er mere aktiv, fordi der er færre skyer til at reflektere sollyset ud i verdensrummet, inden det når Jordens overflade.

Når de ladede partikler i den kosmiske stråling når Jordens atmosfære, vil de støde sammen med luftmolekylerne, så disse ioniseres. Skyer består af små vanddråber, og vand dam ­pen i luften har lettere ved at finde sammen til små vand­dråber i de områder, hvor luften er ioniseret af den kos miske strå ling. Solpletaktiviteten varierer over århun dreder, men også med jævne mellemrum i perioder på cirka 11 år. Denne variation passer med variationen i Jordens skydække. Vi har ingen indflydelse på solpletaktiviteten.

Figur 27I brintsamfundet bruges brint som energibærer. Der er elektro-lysestationer ved kraftværkerne. Bilen kobles til det fælles net, når den er parkeret ved arbejdet eller huset. Hustagene er dækket med solceller, og en lagertank til brint erstatter olietanken til fyret. Bilen fungerer som elektrolyse-anlæg eller brændsels celleanlæg efter behov. Der kan være forbin-delse til naturgasnettet.

31

Ild

Agerbrug

VandmøllerVindmøller

Energikrise

1 mio. 100.000 10.000 1.000 100 10 1

Antal år før 1982

W

1013

1012

1011

1010

109

108

Vedvarende energi Mest oplagret energi

Figur 28Menneskehedens energi-forbrug er vokset eksplo-sivt gennem tiderne. – Øverst ses udviklingen med logaritmisk skala (10-dob ling på akserne). – I midten ses udviklin-gen med almindelige en-heder på akserne. – Nederst ses elpro duk-tionen i Danmark fordelt på kilder.

Figur 29Energiforbrug, CO2-udslip og værdiproduktion i for - skellige lande. Sve rige har mindre CO2-ud slip end Danmark, fordi de har mere vandkraft og ker nekraft. Man ser, at Danmark og Japan er gode til at udnytte ener-gien. Vi producerer mere værdi pr. joule end mange andre.

Danmark Sverige EU USA Japan

Danmark Sverige EU USA Japan

Danmark Sverige EU USA Japan

Værdiproduktion i 2001

CO2-udslip pr. indbygger i 2001

Ton

CO

2 F

orbr

ug p

r. in

dbyg

ger i

GJ

$

pr. G

J fo

rbru

g

E

ffekt

forb

rug

i TW

År før nu

Energiforbrug i forskellige lande i 2001

Vedvarende energi

1000 750 500 250 0

250

200

150

100

50

0

300

200

100

0

25

20

15

10

5

05

4 3

2

1

0

Øvrig energi

Elproduktion i Danmark fordelt på kilder

Pet

ajou

le (1

015 jo

ule)

150

100

50

01994 2002

Anden VEVindkraftNaturgasOlieKul

32

Figur 30a, tv.Produktionen af olie vok-ser ikke længere så kraf-tigt, som den har gjort. Det er tegn på, at re ser- verne er sværere at frem- skaffe. Kurvens form på-vir kes også af politiske be slut ninger, fx om at begrænse brugen af olie til afbrænding i kraft vær - ker eller af stabiliteten og prispolitikken i de oliepro du ce rende lande. Antager man at kurven gennem snitligt følger en klokkeform som i figur 30b, kan man forudsige nogenlunde, hvor meget olie, der i alt vil blive hen-tet op af jorden.

Figur 30b, tv.Olieproduktionen i texas fra 1932 til 2002. Man fornemmer at Texas er ved at have opbrugt sin olie. Kurven er en model, der kaldes logistisk. Den kan bruges til at forudsige toppunkt og samlet produktion.

Figur 31aIndholdet af CO2 i atmo-sfæren i dag (prikken øverst til højre) er højere end nogensinde de sidste 450.000 år. Stigningen startede for nogle få hundrede år siden ved indu strialismens start. Varia tionerne før i tiden hænger sammen med tilba ge vendende istider. Indhol det er angivet i million tedele luft rumfang, parts per million volume. Indholdet er fundet ved at undersøge iskerneborin-ger fra Antarktis. Her lig-ger sneen over Vostok- søen med inde spær ret luft – lag på lag for 450.000 år.

Figur 31b, øverst th.Målinger 1960-2002 af CO2 i atmo sfæren ved Hawaii – langt fra indu-striområder.

Figur 31c, ovenoverDen årlige variation i at-mosfærens CO2-indhold i 2002 skyldes planternes vækst, der binder mest CO2 hen gennem som-meren.

1960 1970 1980 1990 2000 2010

CO

2 i a

tmos

fære

n p

pmV

380

360

340

320

3001920 1940 1960 1980 2000 2020

4

3

2

1

0

1920 1940 1960 1980 2000 2020

1600

1200

800

400

0

Tex

as o

lie, m

illio

ner t

ønde

r/år

Ver

dens

olie

, mill

iard

er to

n/år

CO

2 i 2

002

i pp

mV

376

374

372

370

368

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

400

300

200

100

0 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0

År før nu

CO

2 i a

tmos

fære

n, p

pmV

33

Oceaner 46.000 Gt

CO2 i atmosfæren

740 Gt

Jorden

2.000 Gt

Kul, olie og gas

10.000 Gt

Afbrænding

til energi,

6 Gt Optag i alger 100 Gt og planter 100 Gt + opløsning i havet

Udslip fra dyr og planter 100 Gt 98 Gt Skov-

rydning,

1-2 Gt

Aflejring af kul og kalk fra døde organismer

Figur 32Kredsløb for kulstof. Mængder angivet i milli-arder ton, Gigaton, i for-skellige dele af Jorden. Udvekslinger er angivet pr. år. Alger og planter bruger CO2 til at opbygge sukkerstoffer ved hjælp af sollys. Det bliver til mad for dyrene. CO2 frigives igen fra dyrene, når maden omsættes. De 10.000 Gt kulstof i un-dergrunden stammer fra døde organismer, der synker ned i havet gen-nem hundrede millioner af år og omdannes i havbun-den. I øjeblikket bruger vi af dette lager hundrede tusinde gange så hurtigt, som det fyldes op.

Tabel 7Forskellige energienheder bruges i energistatistikker.

Tabel 810-potenser anvendt i energistatistikker.

Tabel 9En indsats på mange fronter, se side 35. Der kan anlægges forskellige perspektiver på økonomien. Fx privatøko-nomi, virksom hedsøkonomi, nationaløko nomi - og på længere sigt globaløkonomi?

ENHED

1 J - joule

1 kWh - kilowatttime

1 toe - ton olieækvivalent

1 cal - kalorie

Oversat til Joule

1 J

3.600.000 J = 3,6 MJ

44.800.000.000 J = 44,8 GJ

4,1855 J

Eksempel

1 m løft med 1newton

1000 W projektør tændt i 1 time

1 ton olie brændes af (øvre bændværdi)

1 gram vand opvarmes 1 grad Celsius

PRÆFIKS

k

M

G

T

P

E

Navn

kilo

Mega

Giga

Tera

Peta

Exa

Værdi

103

106

109

1012

1015

1018

Internationalt

Nationalt

Regionalt

Lokalt

Kyoto, EU-støttede projekter og forskning

Energipolitik, afgifter, tilskud. Forskningspolitik

Vindmølleparker, elektrolyseanlæg

Brinttankstationer, husstandsanlæg, solcelletage

34

Energi, klima, penge og politik – Kyoto-aftalenI 1997 holdt alverdens lande et stort klimamøde i Kyoto i Japan. Man opfandt nogle mekanismer, der skal hjælpe en udvikling på vej, så vores ud­ledning af kuldioxid til atmosfæren efterhånden bringes ned. Man lavede også en fælles aftale, Kyotoaftalen, der benytter sig af disse mekanis­mer. Hvis 55 % af verdens lande, som står for mindst 55 % af verdens CO2­udledning godken­der denne aftale i deres parlament, bliver aftalen til et internationalt regelsæt. Landene i EU har godkendt aftalerne, mens USA har sagt nej. Ruslands parlament skrev under i oktober 2004, så aftalen kan træde i kraft.

Hovedpunkterne i aftalen er nog le mål og tids­rammer for, hvornår målene skal være nået. Samt regler for handel med ud led nings tilladelser mellem landene. Målene er opstillet som kvoter, dvs. mængder af CO2, som de enkelte lande har lov til at udlede. Kvoterne måles i ton CO2. Efter hånden som mekanismerne går i gang, vil der danne sig en pris pr. ton CO2. I juli 2004 fik Danmark godkendt sin plan af EU­kommis­sionen.

Hvis et land, som fx Rusland, ikke kan udnytte de tildelte kvoter, kan det sælge sin kvote til an dre lande. Et land kan også vælge at investere i CO2­besparende teknologier i andre lande. Fx kan Danmark støtte eller drive vindmølleparker i Polen eller investere i forbedring af kulfyrede kraft værker dér. Og man kan øge beplantningen med skov, idet træerne optager store mængder kul di oxid fra luften. Men det virker kun én gang.

Hovedformålet er at fremme udviklingen af CO2­besparende teknologier i almindelighed i alle lande. Og her kan USAs beslutning om at sige nej til aftalen vise sig at give bagslag for landet. For europæiske virksomheder vil måske komme foran i udviklingen af de nødvendige tek no logier. Der er dog også støtte til udvikling af brintteknologi i USA, idet man er nervøs for forsyningssikkerheden – altså om man kan skaffe brændstof nok.

Figur 33Fremtidens energisystem i miniformat. Fra venstre ses solpanel, elektrolyse-celle, lagertanke, brændsels celle, mo-tor. Man kan måle virkningsgraderne af de enkelte dele i systemet. Dermed kan man regne ud om det kan betale sig fx at gemme elektrisk energi fra vindmøller i form af brint i et lager. Læg mærke til at elektrolysecellen

og brændselscellen ser ens ud. Fak-tisk kunne man nøjes med én celle, der kan bruges som elektrolysecelle, når man ønsker at lave brint og som brændselscelle, når man ønsker at lave strøm. Sådan en celle kaldes en reversibel celle. Sammenlign med bilen i figur 13.

35

Samfundsøkonomi kontra privatøkonomiØkonomi kommer af det græske ord oikono’ mia, som betyder husbestyrelse eller ledelse. Øko­no mi handler om at få mest mulig nytte af sine aktiviteter. Her kan der være konflikt mellem dig (individet) og de andre (samfundet/dine efter­kommere).

Hvis du ejer en stor skov, kan du tjene penge på at fælde træer og sælge træet, mens det koster tid og penge at plante nye. Hvis din skov er stor nok, har du måske træer nok til at leve hele livet uden at plante nye. Du har “vundet”, men dine omgivelser, samfundet og dine efterkommere, har tabt. Efter dig er der uopdyrket land, som ikke har så stor værdi som den oprindelige skov. Hvis du tilhører en generation, der har olie nok, kan du skaffe billig energi ved at brænde den af uden at bruge penge på at opfinde andre metoder. – Find selv på en historie, der viser forskellige interesser vedrørende forurening.

For at motivere os til at handle på måder, der er økonomiske for samfundet, indfører man af­gifter og benytter tilskud. I 70’erne var der ikke man ge, der troede på, at vindmøller ville kunne bi drage væsentligt til den danske elforsyning. Men nogle få idealister byggede dengang alli­gevel møller for deres egne penge. Senere blev det et politisk spørgsmål, og folketinget vedtog at støtte opførelsen af møller med tilskud. Og i dag er det blevet en forretning, der i 2003 gav en omsætning på 20 milliarder kroner. Danmark er førende på verdensmarkedet.

Undervejs har man indført energiafgifter. Man har fx lagt afgift på strøm fra kulkraftværker men ikke på strøm fra vindmøller. Dermed ønsker man at regulere den økonomiske balance mellem de to teknologier. I starten kunne vindmøllerne slet ikke konkurrere med billig kul. Men på læn­gere sigt forventer man, at vindmøller er økono­miske, fordi der ikke er så meget “opryd ning”, som samfundet skal betale efter dem, som efter kulaf brænding, der giver anledning til CO2­ud­ledning. Det samme kan siges om solceller på noget længere sigt.

Indsats på mange fronterEnergisystemet bruges lokalt, men har virkninger globalt. Derfor findes der ingen simpel vej, hvis man ønsker at styre det i en bestemt retning, fx mod et brintsamfund. Man kan pege på indsatser på mange fronter: Internationalt, nationalt, re­gionalt og lokalt, se tabel 9 på side 33.

Internationalt kan man lave fælles globale af­taler og rige egne kan gå foran i udviklingen. Fx

Figur 34aDette er en rent brint-drevet bil og derfor et bud på den fjernere fremtid. I en overgangsperiode må man forvente biler med brændselsceller til både benzin, naturgas og brint. Der findes nemlig allerede et udbygget net af ben-zinstationer men ikke af brinttankstationer. Det kan dog komme til at gå hurti-gere, end man forventer. I Norge vil man senest i 2008 kunne køre de 500 km fra Stavanger til Oslo i en brintbil på Hydrogen-vejen.Bilen til venstre er en General Motors Hy-wire prototype. Debuterede på Paris Motor Show i sep tem ber 2002. Bilfa brik-kerne kon kurrerer om at udvikle miljøvenlige biler med brændselsceller. Indtil videre er det nok mest i reklameøjemed, for at vise, at de er “med på vognen”. Men heldigvis bidrager de dermed til at effektivisere teknologien.

Figur 34bEt kig inde fra bilen på Tech Tour i Ottawa, Canada 2003. Motor og brændselsceller er pakket ned under gulvet.

36

arbejdes der på at gennemføre Kyoto­aftalen om nedbringelse af CO2­udledning. Aftalen vil føre til, at der sættes kroner og ører på udled­ning af CO2, og det vil ændre den økomomiske ba lance til fordel for teknologier, der mindsker CO2­udledningen. Og EU støtter projekter, hvor forskellige virksomheder og forskergrupper arbejder sammen om udvikling af nye energi­systemer.

Nationalt kan man påvirke udviklingen ved hjælp af afgifter, der fordyrer uønskede tek­no logier, og tilskud, der støtter teknologier, man ønsker indført. I Danmark har man på denne måde støttet udviklingen af vindmølle­teknologien. Og man har støttet lokale kraft­varmeværker ved at give strømmen herfra fortrinsret i forhold til strømmen fra kulværker. På de lokale kraftvarmeværker udnyttes spild­varmen fra elproduktionen til fjernvarme, og værkerne kan fx fyres med halm. Når man fyrer med halm betragtes det som CO2­neutralt, fordi den mængde CO2, der udvikles ved for­brændingen, er den samme som den, der i sin

Figur 34cHjertet i Hy-wire er et skateboard-chassis, som indeholder “alt”, brænd-sels cellestak, tanke, mo-torer og systemkontrol. Ovenpå sættes et kar-rosseri efter brugerens ønske.

Figur 34dSkateboardet pakket ind.

Stødzone i forende. Optager energi ved sammenstød

Brændselscellestak. Omdanner brintbrænd -sel til elektricitet

Brinttanke

Luftbehandlingssystem

KabinefastgørelseUniverselt forbindelsesled. Forbinder skateboardet med “kør med ledning” systemerne i kabinen

Hjulmotorer. Elmotorer i hjulene leverer firehjulstræk, indbyggede bremser standser køretøjet

Køleribber. Afgiver varme som dannes i brændselscellerne, elek-tronikken og hjulmotorerne

Varmesystem.

“Kør-med-ledning” systemkontrol. Køretøjets hjerne og nervesystem

Stødzone i bagende. Optager energi ved sammenstød

37

tid blev optaget af halmen fra luften, da kornet groede, se figur 32. Man kan støtte forskningen på universiteter og lignende. Fx Aarhus Univer­sitet, der arbejder med metalhydrider til sikker opbevaring af brint, og Risø, der arbejder med keramiske brændselsceller, og endnu mange andre som fortjener forskningspolitisk støtte. En bedre forståelse giver grundlag for en bedre tek nologi.

Regionalt kan man kombinere fx vindmølle­parker med brintteknologi, som man har planer om at gøre det i Ringkøbing Amt. Og man kan afprøve nye teknologier i større skala, som fx “Sol-1000”, hvor tusind husstande får installeret solcellepaneler på tagene med 40 % støtte fra Energistyrelsen gennem regionale forhandlere.

Lokalt kan den enkelte husstand opstille anlæg med brændselsceller til el­ og varmeforsyning næste gang fyret i kælderen trænger til at ud­skiftes, og kommunen kan bygge brinttanksta­tioner, som i første omgang kan bruges til gas ­drevne bybusser og gasdrevne biler.

TidshorisontHer kan dit gæt være lige så godt som mit. Men jeg tror udviklingen vil tage fart omkring 2010. Den første Kyoto­periode går fra 2008­2012. Her skal industrilandene samlet nedbringe CO2­udledningen med 6 procent i forhold til udledningen i 1990, som er basisår for Kyoto­aftalen. Inden for EU er man enedes om samlet 8 %. Danmark og Tyskland menes at have let­tere ved at nedbringe udslippene, fordi de har et relativt stort kulforbrug. Disse to lande skal yde en nedsættelse på 21 %. For Danmark svarer det til en udledning på 15­25 millioner ton mindre i 2012 end i 1990. Det præcise tal er ikke opgjort endnu.

Processen starter med kvoter til kraftværkerne og de største virksomheder allerede for perioden 2005 ­ 2008, hvor bøderne er 40 euro pr. ton, der udledes ud over det tilladte. Fra 2009 er bøderne 100 euro pr. ton. Landene straffes ved at manglende nedbringelser tillægges 30 procent

og skal gennemføres oven i den følgende peri­odes krav om nedbringelser.

Hvis man for alvor beslutter at satse på brint, må man nok regne med, at der vil gå mange år (tyve?) før omstillingen er sket. Store anlæg med brændselsceller og elektrolyseceller vil måske først være økonomisk tiltrækkende, når de kan træde i stedet for udtjente kraftværker. Måske vil der komme en periode med forøget kernekraft, som kan indgå i et brintbaseret trans­portsystem og fremme det. Eller forsinke det, fordi presset på fossile brændsler til el­produk­tion mindskes, så man fortsat kan bruge dem til transport.

Måske vil store centrale anlæg slet ikke få så stor betydning. Det kan vise sig billigere at bruge bilerne som lokale anlæg. En sådan ud­vikling vil kunne komme hurtigere, fordi dens tempo følger udskiftningen af bilparken.

Figur 35Brintbus tanker i Malmø. Der er brug for forsøg med forskellige tekno lo-gier, hvor det måske ikke kan betale sig privat-økonomisk i første om-gang. Samfundet får på længere sigt en renere energiomsætning og dermed en bedre øko-nomi. Man sparer penge, fordi forureningen er min-dre.På huskesedlen står: ‘OBS, tankas på Sydgas’.‘Ej i trafik’ betyder at bus-sen er uden for sin rute – ikke, at den ikke bruges.

38

BOREPLATFORM Geologisk tidsskala

Jordens overflade og klima ændrer sig langsomt over mil­lioner af år, hvor bjerge opstår ved forskydninger i jordskor­pen og slides ned af vind og vejr. Disse ændringer påvirker livsmulighederne, så nye livsformer opstår og andre forgår. Sådanne ændringer har vi ingen indflydelse på. Der kan også ske voldsomme ændringer som følge af nedslag af meteorer, som det der udryddede de store dinosaurer for ca. 65 millioner år siden, længe før der var mennesker. Vore forfædre begyndte først at ligne mennesker for 2 millioner

BOREPLATFORM Til diskussion

Vil brintudslip påvirke atmosfæren? 1) I stratosfæren (15­50 km’s højde) reagerer brint med OH og danner vand. Den ekstra vanddamp over po ler ne skaber flere iskolde skyer, som medvirker til at sætte fart i nedbrydningen af ozon over Arktis og Ant ark tis. 2) I troposfæren (0­15 km’s højde) nedbrydes metan af OH. Brint fjerner OH også her. Det svækker nedbrydnin­gen af metan, som er en drivhusgas. Dermed vil drivhus­virkningen af denne gas vokse.

Hvor meget haster det? OECD vurderede i 2001, at medlemslandene næppe vil nå de mål i Kyoto­aftalen, de har forpligtet sig til over for FN. Hvis ikke miljøpolitikken ændrer sig væsentligt, for­ventes CO2­udledningerne at stige med 30­40 procent de næste 20 år. Ifølge Kyoto­aftalen skal udledningerne falde med 20­40 procent. OECD foreslår bred indførelse af skat på drivhusgasser, udvikling af alternative brændstoffer og køretøjer, agitation for vedvarende energi og alternative adfærdsmønstre.

Et lille eksempel: Sluk på stikkontakten, når apparatet ikke bruges – standby­forbrug giver CO2!

OECD anbefaler også udvikling af internationale systemer til handel med udledninger og forureningstilladelser. Og man peger på fælles projekter i Østlandene og overførsel af teknologi til den 3. verden på en måde, der samlet set mindsker de økonomiske omkostninger. OECD skønner, at indsatsen i 2020 vil gøre den økonomiske vækst en pro cent lavere end uden skatter og afgifter. Dette skal ses i forhold til en vækst i 2004 på ca. 3% i Danmark og 8% i Kina.

Hvorfor ikke udbygge med kernekraft?Der er ingen CO2­udvikling. Hvilke miljøproblemer har man på kernekraftværkerne? Hvor længe kan værkerne holde? Hvilke affaldsproblemer har man med værkerne, når de er udtjente?

–med solceller?Hvilke miljøproblemer har man på solcellefabrikker, brændselscellefabrikker? Hvor længe kan cellerne holde? Hvilke affaldsproblemer har man med cellerne, når de er udtjente?

– eller?Hvorfor ikke bare opsamle CO2 fra fossile kraftværker og gemme det i undergrunden?

Hvordan får man folk til at købe brintdrevne biler, så længe der er så få brinttankstationer?

Hvordan får man energiselskaberne til at bygge brint­tankstationer, så længe der er så få brintdrevne biler?

Skal vi ikke bare glæde os til bedre landbrug i Danmark?

FN’s klimapanel forudsiger, at det bliver lidt varmere hos os. Det betyder store ændringer i landbrug og skovbrug, så vi lagrer større mængder kulstof. Det samme gælder de fleste af verdens rige lande. For sydeuropa er situatio­nen dog anderledes. Her ventes mange steder meget min­dre nedbør, stigende varme, begyndende ørkendannelse og mangel på ferskvand.

år siden, og vores egen art, homo sapiens, er kun 150.000 år gammel. Det kan derfor virke meget naivt at forestille sig, at vi vil fortsætte som art i millioner af år. Men på den anden side, er bakterierne milliarder af år gamle ­ de har været dygtige til at tilpasse sig omskiftelige forhold på Jorden. Vil vi være lige så dygtige? Og betyder det noget i det lange perspektiv, at vores aktiviteter påvirker omgi­velserne?

39

“The fact that it might take twenty years to complete the hydrogen revolution is every reason to begin yesterday.” David Freeman, California Power Authority.

Figur 36Her bruges energi. Skyfrie nattebilleder stykket sam-men af fotos fra rummet. Sammensat bliver det et kort over menneskenes aktivitet i byerne i de rige og tæt befolkede egne.

“Technology is the real enemy ... It will reduce oil con-sumption and increase production from other areas ... The Stone Age came to an end not for a lack of stones, and the oil age will end but not for a lack of oil.” Sheik Ahmed Saki Yamani, tidligere olieminister i Saudi Arabien, nu privat konsulent i London.

40

301a. Hvad forstås ved et brintsamfund? b. Hvordan lagres og fordeles energi i dette samfund? c. Hvordan kan kraftværker fungere som fordelingscentraler?

302 Energi eller funktion? a. Et køleskab omsætter elektrisk energi for at holde tempera­turen indeni lavere end udenfor. Hvad ville du overveje, hvis du skulle bygge et nyt køleskab for at få samme funktion med mindre elforbrug? b. En bil omsætter brændselsenergi til bevægelse. Hvad ville du undersøge, hvis du skulle foreslå ændringer, der kunne mindske brændselsforbruget?

303 Fremtidens energiforbrugDer er to modsatrettede tendenser.

Forbruget vil stige, fordi levestandarden skal stige i den fattige del af verden, og fordi vi finder på nye apparater.

Forbruget holdes nede, fordi man opfinder mere energiøkonomiske apparater.

Undersøg fx Danmarks energiforbrug de sidste 50 år. a. Hvornår dæmpedes væksten? Hvorfor? b. Undersøg energiforbrugets udvikling for biler, køleskabe, vaskemaskiner, computere. c. Diskutér hvilken af de to tendenser, der vil være stærkest på længere sigt (25 år, 50 år, 100 år, 1000 år).

304Et kulfyret kraftværk producerer cirka 1 kg CO2 pr. kWh el. Vindmølleparken ved Horns Rev forventes at producere 600 GWh om året. a. Hvor mange ton kuldioxid spares ved denne produktion? Danmark skal skære udledningen ned med 15 ­ 25 millioner ton.

305 Gem strømmen? Strøm handles på et el­marked, som forbinder Danmark med Norge, Tyskland og Sverige. Priserne kan variere meget kraf­tigt, fra få øre til flere kroner pr. kWh. Du skal nu regne på strøm fra en vindmøllepark mens elpriserne er nede på 12,5 øre pr. kWh. Du har mulighed for at sælge strømmen til nettet straks eller “gemme” den ved at producere brint i en elektro­lysecelle med en virkningsgrad på 95 % og så vente til prisen er oppe på 25 øre pr. kWh, hvor du kan sælge strømmen fra en brændselscelle med en virkningsgrad på 65 %.a. Hvor mange penge får du for 100.000 kWh, hvis du sælger straks?b. Hvor mange kWh brændselsenergi kan du lagre, hvis du bruger 100.000 kWh i elektrolysecellen?c. Hvor mange kWh elektricitet får du ud af brændselscellen, hvis svaret fra spørgsmål b bruges i den?d. Hvor mange penge får du for elektriciteten fra brændselscellen, hvis du sælger den til 25 øre pr. kWh?e. Kan det betale sig at vente med at sælge?I virkeligheden må man også regne med udgifter til elektro­lyse­ og brændselscelleanlæg. Men det ER store penge, der kan hentes. En vindmøllepark som den ved Horns Rev, figur 4, kan producere 160.000 kWh i løbet af en time. Forbrugerne betaler cirka 1 krone pr. kWh.

306 Er kæden for lang? Får man kun 17 % af elektriciteten fra kraftværket udnyttet i bilhjulene? En svejtsisk forsker, Ulf Bossel, forventer 30 % tab ved fremstilling af brint ved elektrolyse, 35 % tab ved sammen­trykning af brinten, 6 % tab ved fordeling af brinten, 1 % tab ved tankning, 50 % tab ved omdannelse til el i brændsels­

Opgaver PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUNDET?

41

celler, 10 % “parasit”tab til blæsere osv. til drift af cellerne, 10 % elektriske tab mellem brændselscellen og hjulene.a. Gør rede for at omsætningskæden kan skrives som et produkt af udnyttelsesfaktorer – 0,70; 0,65; 0,94; 0,99; 0,50; 0,90 og 0,90 – og vis at produktet giver 0,17 = 17 %. Vink: 70 % = 0,70 udnyttes, når tabet er 30 %.b. Hvor i kæden kan man især sætte ind for at forbedre ud­nyttelsen?

307 Til diskussionSkal man regne forbruget i forhold til reserverne eller i forhold til resurserne?Kåre Press­Kristensen giver følgende eksempel: I 1950 var de udnyttelige olieresurser 295 milliarder ton olieækvivalen­ter (Gigatoe, Gtoe), de beviste reserver var 10 Gtoe og den årlige produktion var 0,45 Gtoe. Dvs. den simple udtømnings­tid var ca. 650 år (295/0,45) og ikke 22 år (10/0,45). I 1994 var de udnyttelige resurser 200 Gtoe, de beviste reserver 140 Gtoe og den årlige produktion 3,1 Gtoe. Dvs. den simple udtømningstid var 65 år (200/3,1) og ikke ca. 45 år (140/3,1). Hvilke beregninger kan bruges til at argumentere fora. Der er olie nok til lang tid – man finder mere og mere.b. Udtømningstiden er kun en tiendedel af, hvad den var for halvtreds år siden.c. Er den ene type beregning vigtigere end den anden og hvorfor?De påviste reserver i 2002 var 146 Gt olie (146 Gtoe), 985 Gt kul (644 Gtoe) og 125 Gt naturgas (150 Gtoe). I alt 940 Gtoe. I 2002 brugte vi 8,3 Gtoe fordelt på olie 3,5 Gtoe, kul 2,4 Gtoe og gas 2,3 Gtoe.d. Beregn udtømningstider, og sammenlign med tiden for dannelse af fossile energikilder.e. Prøv at finde oplysninger om resurser, reserver og forbrug i dag.

308Betragt det højenergetiske fremtidsperspektiv i kapitel 1 for en verden med fordoblet befolkningstal i løbet af 50 år og med et forbrug til alle, som er dobbelt så stort som i USA i dag (se tabel 1).a. Diskutér antagelserne, er niveauet rimeligt, er tidshori­sonten rimelig?Antag, at solceller med en effektivitet på 25 % er almindelige til den tid.b. Vis, at de så skal dække 3,5 % af landjorden.Bemærk dog, at hele behovet ikke vil være elektrisk (se fx DK i tabel 1).309I Kyoto­aftalen indgår blandt andet to mekanismer, Clean Development Mechanism, CDM og Joint Implementation, JI. Find ud af, hvad begreberne dækker og prøv at oversætte dem til dansk. I 2003 blev de første 14 CDM­projekter bedømt i Bonn. Ingen blev godkendt, men seks var næsten OK. FN administrerer Kyoto­aftalen.

310 Energiintensiteta. Aflæs i figur 29, hvor mange $ de forskellige lande producerer pr. forbrugt GJ. Disse tal kaldes værdiproduktionen.b. Udregn ved hjælp af svarene i spørgsmål a hvor mange MJ de forskellige lande forbruger pr. produceret $. Disse tal kaldes energiintensiteten.c. Både tallene i a og b fortæller, hvor effektivt man udnyt­ter energien. Diskuter hvordan de to forskellige ord kan an­vendes i en debat.d. I kapitel 1, side 8, blev værdiproduktionen angivet i $/W (3 $/W for USA og 6 $/W for Danmark). Diskutér forskellen på de to synsvinkler, $/W og $/GJ.

Figur 37CO2-udslip i forskellige egne af verden. Den økono-miske vækst i Asien følges af et stigende CO2-udslip i denne region, mens faldet i tidligere Sovjet og Østeuropa forklares ved afmatning i økonomien og omvæltningerne i 1989. OECD-landene, dvs. de ‘rige’ lande, tegner sig for over halvdelen af verdens samlede CO2-udledning, selv om de kun har knap 1/5 af verdens befolkning.

OECD-lande i Nordamerika, Europa og Stillehavsområdet Kina, Asien, Latinamerika og Afrika Tidligere Sovjet, Centraleuropa og Mellemøsten

Mill

iard

er to

ns C

O2

50

40

30

20

10

01979 1990 1998 1999 2000

42

Efter denne øvelse vil I kunne svare på, hvordan cellerne bedst udnyttes fx på elkraftværker og i biler. Det øger jeres forståelse af øvelsen og letter jeres arbejde med rapporten, hvis I har besvaret “Før øvelsen” ­ spørgsmålet, før I går i gang med at måle.

Formål: I skal finde den gennemsnitlige produktion af elek­trisk effekt og bestemme virkningsgraden.

Diagram: Se næste spalte.

Udstyr: Brændselscelle, dekademodstand, amperemeter, volt­meter, stopur, brint fra elektrolysecelle, elektrolysecelle med ca. 2 V spændingsforsyning.

Opstilling: Lad brint strømme svagt gennem cellen i nogle minutter, så cellen ”luftes ud” før målingerne påbegyndes. Den brint man har tænkt sig at føde ind i cellen holdes klar i et lager med kendt rumfang. Hvis brinten kommer fra en elek­trolysecelle med målbare lagre, kan man fylde lagrene med brint og ilt og dernæst afbryde elektrolysen, når man er klar.

Tips om elektrolysen: Der fyldes op med demineraliseret vand. Elektrolysecellen forsynes med cirka 2 V fra en spæn­dingskilde, eventuelt et solpanel. Der kan være begrænsning på den tilladte strømstyrke. Tålmod: Der kan gå lidt tid før cellen kommer i gang, hvis den har stået ubenyttet i længere tid. Det kan skyldes udtørring af elektrolytten. Efterlad cellen med vand. Tålmod også med brændselscellen.

Fiduser om styring af gassen: Pointen er at man styrer gassen med klemmer på slangerne. Når man sidder med udstyret er det ikke så indviklet, som det lyder her. Mens brændselscellen luftes igennem holdes begge udstødninger åbne. Når man er klar til måling, lukkes tilledningen og udstødningen på brint­siden, og man tjekker, at brintlageret er fyldt. Så slukkes for elektrolysen. Udstødningen på brintsiden skal forblive lukket under målingen (ellers har man ikke kontrol over den for­

1. Brændselscellens effekt og virkningsgrad

Øvelser

+HH

H+

O eller luft

2

2

H O2

-

-

-

+-Brændselscelle

Lagertanke

H2 O2

Elektrolysecelle

- +

0 - 1,9 V

-

A

V

Eksplosiv

43

brugte brintmængde). Nu kan tilledningen åbnes og målingen begynder. Man skal nok øve sig et par gange på at få åbnet og lukket korrekt. Man skal også tilstræbe, at cellen straks producerer elektricitet, når man åbner for brinttilførslen. Det sikres ved at starte målingen kort tid efter at cellen tidligere har kørt ved en belastning, der ligner den, man har tænkt sig at måle på.

Målinger: Strøm I og spænding U fra brændselscellen aflæ­ses ved en bestemt belastning fx 2,0 ohm. Mål tiden t for forbrug af et vist brintrumfang V. Fidus: start og stop tid­tagningen når vandoverfladen passerer en delestreg på lager­beholderen. Overvej, hvad man gør, hvis I og U ændrer sig under forsøget. Gentag ved en anden belastning, fx 0,5 ohm, og ved flere andre ...

Databehandling: Beregn den gennemsnitlige produktion af elektrisk effekt

P = U · I

og den samlede produktion af elektrisk energi Eelektrisk = U·I·t i løbet af tiden t. Beregn energien i det forbrugte brintrum­fang Ebrændsel = HV·V , hvor HV er brændværdien 12 J/mL ved 25 °C og 1 atm.Bestem virkningsgraden

h =

E

Eelektrisk

brændsel

Virkningsgraden angives i procent. Målinger og resultater samles i tabel som nedenfor.

Konklusion: Sammenlign effekten og virkningsgraden ved forskellige belastninger. Kommentér. Modstanden i forsøget forestiller belastningen; det kan være bilens motor eller elnettet koblet til kraftværket. Hvor skal man lægge sig i belastning, hvis man bruger cellen i en bil, hvor man ønsker stor acceleration for en given cellestak? Hvor skal man lægge sig i belastning, hvis man bruger cellen i et el­kraftværk, hvor man ønsker at udnytte brændslet så effektivt som muligt?

Eventuelt: Der kan sive brint ud af lageret under forsøget. Man kan tage højde for denne fejlkilde ved at fylde lageret med brint, lade det stå i nogle minutter uden at der tappes brint til brændselscellen og så måle, hvor meget brint der siver ud, mens man tager tid.

“Før øvelsen”. Effekt og virkningsgrad. En brændselscelle leverer 208 mA ved 0,695 V i 180 s under et forbrug af 5,7 mL brint ved 25 °C og 1 atm. Beregn cellens effekt P og virk ningsgrad h.

Svar:

R V t U I P E elektrisk E brændsel mL s V A W J J %

2,00,5……

W

44

2. Brændselscellens belastningskarakteristik

Polspændingen U fra en brændselscelle falder, jo mere strøm I man forsøger at trække ud af den. I skal her undersøge hvordan. Det øger jeres forståelse af øvelsen og letter jeres arbejde med rapporten, hvis I har besvaret “Før øvelsen” ­ spørgsmålene, før I går i gang med at måle.

Udstyr: Brændselscelle, variabel belastning (fx dekademod­stand), amperemeter, voltmeter, brint fra lager eller fra elek­trolysecelle.

Diagram: Se næste spalte.

Målinger: Lad brint strømme svagt gennem cellen i nogle minutter, så cellen ”luftes ud” før målingerne påbegyndes. Mål nu samhørende værdier af strøm I og polspænding U for variabel belastning. Der kan være begrænsning på, hvor stor strøm cellen kan tåle at afgive.

Databehandling: Målingerne indtegnes i en (I, U)­graf. Aflæs hvilespændingen. Måske kan målepunkterne beskrives nogenlunde ved en ret linie. Aflæs skæringen med 2. aksen og giv en fortolkning. Bestem hældningen af linien og giv en fortolk ning af hældningen. Formlen for linien kan fx være U = U0 – R·I. Beregn ud fra din model den maksimale strømstyrke Imax, som cellen kan levere, hvis den ellers kan tåle det. Eventuelt: Hvis I har sørget for også at have målinger ved forskellige små strømstyrker, vil I måske opdage, at (I, U)­grafen kræver en model med to rette linier, der mødes i et knæk. Bestem hældningerne af linierne og giv en fortolkning af forskellen mellem dem.

“Før øvelsen”. Belastningskarakteristik. 1. En måleserie af strøm I og spænding U for en brændsels­celle tilnærmes med en ret linie gennem (0,00 A; 0,78 V) og (0,50 A; 0,58 V). Beregn den indre modstand Ri.

Svar:

2. Beregn den maksimale strømstyrke Imax. Vink: Brug hvilespændingen U0 og den indre modstand Ri fra spørgsmål 1.

Svar:

+HH

H+

O eller luft

2

2

H O2

-

-

-

+-Brændselscelle

Lagertanke

H2 O2

Elektrolysecelle

- +

0 - 1,9 V

-

A

V

Eksplosiv

45

SMÅØVELSER

3. Brintbilen

Fyld demineraliseret vand på en modelbil med PEM­celler. Tilslut spændingskilde og tag tid for “opladning”, dvs. gas­produktion til fyldt brinttank. Mål hvor lang tid bilen kan køre. Det kræver en nærmere undersøgelse at finde den mest økonomiske ladespænding, se projekt 7.

4. Mængdeforhold ved elektrolyse

Undersøg om der som forventet ved elektrolyse dannes dob­belt så meget brint som ilt.

5. Reaktionsforhold i brændselscellen

Mål forholdet mellem forbruget af brint og ilt, når de to gas­ser tilledes en brændselscelle.

PROJEKTER

6. Faradays love for elektrolyse

Tilrettelæg og gennemfør måleserier, der undersøger brint­produktionen i en elektrolysecelle. Hvad skal måles? Hvilke apparater skal bruges? Er produktionen proportional med tid og strømstyrke, som man forventer? I kan hente hjælp i figur 22.

7. Virkningsgrad ved elektrolyse

Tilrettelæg og gennemfør målinger, der undersøger virk­ningsgraden ved elektrolyse. Hvad skal måles? Hvilke appa­rater skal bruges? I kan hente hjælp i formel (12).

8. Energilagring. Det ideelle energikredsløb.

Gennemfør en forsøgsrække med solpanel, elektrolysecelle og brændselscelle i en “energikæde”. I skal måle virknings­graderne i de enkelte led i kæden. Hvilke driftsbetingelser skal man vælge? Hvor er der størst rum for udvikling?

9. Opfinderprojekt. ‘Cirkeltank’

Ide: Genbrug af vand fra udstødningen

Problem: En bil med reversible celler kan “tanke op” om natten, hvis cellen kobles til elnettet. Det ville være prak­tisk, hvis man ikke hver gang behøvede at fylde vand på til elektrolysen. En ‘cirkeltank’ ville også lette anvendelsen af bilen som minikraftværk og elektrolysestation.

Mål: Design en konstruktion så vandet fra udstødningen i en reversibel brændselscelle føres tilbage og kan bruges, når cellen kører som elektrolysecelle.

Patent: Formulér en patentansøgning på jeres opfindelse. Teknologisk Institut har en opfinderside http://opfind.teknologisk.dk

Patent­ og Varemærkestyrelsen har en patentdatabase http://dk.espacenet.com

46

Nye energiteknologier, Temanummer Kvant 1/2004.Hydrogensamfundet, T. R. Jensen, Aktuel Naturvidenskab 1/2004.Introduktion til Brint & Brændselsceller, 2003, www.minihydrogen.dk.Brændselsceller, Fysik i Perspektiv 1/1997, Fysikforlaget, www.fipnet.gymfag.dk.Dekommissionering af Risøs nukleare anlæg - Miljømæssige aspekter, P. H. Jensen, Kvant 3/2002Miljø & Udvikling, Global miljø­konference i Rio de Janeiro, Danmarks Naturfredningsforening 1992.T. Amtrup og O. Trinhammer, Obligatorisk fysik, Gyldendal, København 1992.H. Nielsen & P. Martinsen, Globale energiperspektiver, F & K Forlaget, København 1981.T. Johansson, Energikilder, Gyldendal, København 1980.

Hjemmesiden evigenergi.fys.dk borer videre i blandt andet Brændselscelletyper Virkningsgrader, strømme og spændinger i brændselscellen Langsigtede perspektiver i energiforsyningen og Jordens varmebalance Energikvalitet og virkningsgrader Carnot­virkningsgraden Gibbs­virkningsgraden Curzon­Ahlborn­virkningsgraden

Tekniske og videnskabelige kilderBrændselsceller - karakteristika, anvendelsespotentialer og udviklingsaktiviteter. Notat fra Ingeniørforeningen i Danmark ca. 2003.Energistyrelsen, Energistatistik 1999, København 2000. Samt nyere på www.ens.dk.H. Arbo­Bähr m.fl., Samfundsstatistik 1999, Columbus, København 1999.Ø. Holter m.fl., Fysikk og energiressurser, 2. udgave, Universitetsforlaget, Oslo 1998.Heliocentris manualer Faraday Efficiency and Energy Efficiency of the Fuel Cell/Electrolyser, Berlin 1999, samt H. Colell & B. Cook Fuel cells. Clean, quiet power for the future, ca. 1998, Dansk forhandler: Søren Frederiksen A/S, Ølgod.Brændselsceller, Manual, Inventa, Forskerparken Fyn 1995.A. Rose, A Global View of Solar Energy in Rational Units, Phys. Stat. Sol. (a) 56 (1979) 11­26.M. Mogensen & N. Christiansen, Europhysics News, 24 (1993) 8.M. Mogensen, Brændselsceller, Dansk kemi, jan. 1991 (også Risø­rapport som særtryk).M. Mogensen, C. Bagger (Risø), K. Aasberg­Petersen, L. J. Christiansen (Haldor Topsøe), B. Sander, J. N. Paulsen (Elsamprojekt), An Introduction to Solid Oxide Fuel Cells. Project report nr. 2, 1992.B. t. Dieck, Einfürung in die Chemie, Teil 3, Verlagsgesellschaft, Schulfernsehen, Köln 1979.A. J. Appleby & F. R. Foulkes, Fuel Cell Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York 1989.H. Nielsen m.fl., Fysik og energiproblemer, Forelæsningsnoter, Århus Universitet 1977.F. W. Sears, Thermodynamics, 2nd ed., Addison­Wesley, Massachusetts 1953.F. L. Curzon & B. Ahlborn, Efficiency of a Carnot Engine at Maximum Power Output, Am.J.Phys 43 (Januar 1975) 22­24.Jan Dahlmann, Rolf Haugaard Nielsen og Sanne Wittrup, artikler i Ingeniøren – se hjemmesiden.

Supplerende litteratur

47

Aampere, 17, 18, 20, 21, 43, 44anode, 14, 15, 21, 25arbejde, nyttigt, 16arbejdsmaskine, 5

Bbatteri, 13, 16, 27belastning, 14, 18, 19, 20, 26, 43, 44belastningskarakteristik, 44brintsamfund, 10, 28, 29, 30, 35, 40brændselscelle, 7, 8, 13, 14, 15, 16, 18, 34, 42brændværdi, 12, 17

CCarnot­virkningsgrad, 18, 46

Ddiskussion, 38, 41drivhuseffekt, 10drivhusgas, 16, 38

Eeffekt, 7, 8, 9, 17, 18, 20, 42, 43effektforbrug, 7, 8, 12, 31effektivitet, se virkningsgradeffektmaksimering, se maksimal effekteffekttæthed, 12elektrode, 14, 15, 18, 22, 42elektrolyse, 6, 13, 16, 21, 45elektrolyt, 13, 14, 15, 19, 24, 25

elektrolytmodstand, 19elektromotorisk kraft, se hvilespændingelement, 13emk, se hvilespændingenergiforbrug, 7, 8, 31, 40energikilder, 28, 30, 31, 46energikredsløb, ideelt, 6, 45energilagring, 45energiomsætning, 8, 29, 37energireserver, 8, 9evighedsmaskine, 6, 11

FFaradays love, 21, 45fossile energikilder, 29, 30, 41

Ggeologisk tidsskala, 38Gibbs­virkningsgrad, 18, 46

Hhvilespænding, 18, 20, 26, 44hydrid, 25hældning, 18, 19, 26

Iideelt energikredsløb, 6, 45indre modstand, 17, 18, 19, 26, 44intensitet, 9

Stikord

48

JJordens varmebalance , 9, 10, 46joule, 7, 8, 17, 33

Kkarakteristik, belastnings­, 44katalysator, 14, 17, 21katode, 14, 15, 21, 25kemisk energi, 8klima, 8, 10, 30, 34, 38knaldgas, 15, 21, 22, 27kortslutningsstrømstyrke, se maks. strømstyrkekuldioxid, 10, 16, 29, 33, 34kultveilte, se kuldioxidkvælstofilter, 17

Llagring af brint, 25linie, 18, 19, 26, 44

Mmaksimal effekt, 20, 26maksimal strømstyrke, 18membran, 15metalhydrid, 25millisol, 8modstand, elektrolyt­, 19modstand, indre, 17, 18, 19, 26, 44modstand, polarisations­, 19

Nnyttevirkning, se virkningsgradnyttigt arbejde, 16nødstrømsanlæg, 23, 25

Oohm, 18, 26, 43

PPEM­celle, 14, 15, 18, 45polarisationsmodstand, 19polspænding, 18, 20, 43, 44

Rreserve, 8, 30, 41resistans, se modstandressource, se resurseresurse, 7, 30, 41

Ssolcelle, 6, 10, 11, 16, 30, 38solpanel, 6, 13, 16, 34solpletaktivitet, 30spænding, 16, 17, 18, 21, 42, 44strømstyrke, 16, 17, 18, 21, 42, 44

Uudnyttelsesfaktor, 41

Vvarmebalance, Jordens, 9, 10, 46vekselretter, 23virkningsgrad, total, 17, 21, 43, 45virkningsgrad, Carnot, 18, 46virkningsgrad, Gibbs, 18, 46volt, 17, 18, 20, 21, 43, 44

O l

e T

r i n

h a

m m

e r E v i g E n e r g i ?

- brændselsceller og brintsamfundet

H2

H2

H2

H2

H2H2

H2H2

H2H2

H2H2

H2H2

H2H2

Evig Energi ?- brændselsceller og brintsamfundet

er skrevet til Fysik C på gymnasialt niveau og kan an-vendes såvel til det introducerende niveau som i se-nere valgfag og studieretning. På bogens hjemmeside findes der uddybende materiale, der også kan udfordre eleverne på niveau B og A. Tre bøger, Brændselsceller og brintsamfundet, Solceller samt Evighedsmaskiner er samlet under en fælles betegnelse, Evig Energi? Man ser både eksempler på kreativ snilde, teoretiske mo­deller og naturlovene bag udfoldelsen af menneskets virkelyst.

Ideen er at vise hvilke muligheder, der er for at reali­sere brintsamfundet, hvis “blot” effektiviteten af solcel-ler og brændselsceller forbedres. Med brintsamfundet menes et bæredygtigt samfund med en stor andel af vindmøller og solceller, hvor overskudsstrøm bruges til produktion af brint fra vand. Brinten anvendes så i brændselsceller i biler og kraftværker, og vandet gen-dannes. En slags “evighedsmaskine” i praksis.

I løbet af de år, der er gået, mens denne bogserie blev til, har mange nye ideer om solceller set dagens lys, og bilfabrikkerne er begyndt at interessere sig for brænd-selsceller. Det er et mål, at eleverne vil tiltrækkes af det offensive i projektet ­ og indse, at selv om naturen sætter nogle grænser, er der stadig et stort spillerum for fantasi og kreativitet. Her kan man faktisk gøre no-get for en renere energiforsyning.

Bogseriens hjemmeside: evigenergi.fys.dk

FYSIKFORLAGET 2005

ISBN 87-7792-027-9

FYSIK

C

NVG ASF

B

A