emner:
- Hydrogen
- Produktion af brint
- Brint som brændstof til en Otto-motor
- Brændselscelle
- Opbevaringstank
- Rækkevidde og omkostninger ved brint
Brint:
Brint (kaldet brint på engelsk) kan bruges som energibærer til at drive køretøjer. Energibærer betyder, at der allerede er lagt energi i brinten på forhånd. Dette i modsætning til (fossile) energikilder som olie, naturgas og kul, hvor energien opnås ved at forarbejde disse stoffer ved at forbrænde dem.
Brint er derfor noget helt andet end vandindsprøjtning, som ikke bruges som energibærer i benzinmotorer, men udelukkende til at køle forbrændingskammeret.
Målet er at opnå "nul-emissioner" med brint; en energiform, der ikke producerer skadelige gasser under brug. Overgangen fra fossile brændstoffer til elektrisk fremdrift i kombination med brint og en brændselscelle falder ind under energiovergang. At drive køretøjer med brint kan gøres på to forskellige måder:
- Brug af brint som brændstof til Otto-motoren. Brinten erstatter benzinbrændstoffet.
- Generer elektrisk energi ved hjælp af brint i en brændselscelle. Ved at bruge denne elektriske energi vil elmotoren drive køretøjet fuldstændig elektrisk.
Begge teknikker er beskrevet på denne side.
Brint kan produceres med bæredygtig energi eller baseret på fossile brændstoffer. Sidstnævnte forsøger vi så vidt muligt at forhindre, fordi fossile brændstoffer bliver knappe i fremtiden. CO2 vil også blive produceret ved forarbejdning af fossile brændstoffer.
Kolonnerne nedenfor viser energiindholdet i et batteri, brint og benzin. Vi ser, at der er meget
Batteri:
- Energiindhold: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Meget effektiv
- Kort opbevaring
- Direkte energifrigivelse mulig
- Transport er kompliceret
Brint (700 bar):
- Energiindhold: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% varme, 70% H2 (PEM brændselscelle)
- Mulighed for lang opbevaring
- Konvertering nødvendig
- Transportvenlig
Benzin:
- Energiværdi: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Afkast op til 33 %
- Mulighed for lang opbevaring
- Ombygning nødvendig (forbrænding)
- Transportvenlig
Brint findes overalt omkring os, men aldrig gratis. Det er altid bundet. Vi skal producere det, isolere det og opbevare det.
- 1 kg ren brint (H2) gas = 11.200 liter ved atmosfærisk tryk
- H2 er mindre end noget andet molekyle
- H2 er lettere end noget andet molekyle
- H2 leder altid efter forbindelser
Ud over produktion og anvendelse af brint i personbiler, diskuterer denne side også dets opbevaring og transport (nederst på siden).
Fremstilling af brint:
Brint er en gas, der ikke udvindes fra jorden, ligesom naturgas. Der skal produceres brint. Det sker blandt andet gennem elektrolyse, en proces, hvor vand omdannes til brint og ilt. Det er det omvendte af den reaktion, der finder sted i en brændselscelle. Desuden kan brint opnås gennem mindre miljøvenlige processer. Dataene nedenfor viser, hvordan brint kan produceres i 2021.
- Kul: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (temp: 1300C-1500C)
- Naturgas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (påkrævet temperatur: 700C-1100C)
- Olie: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + rigtig mange biprodukter
- Elektrolyse fra vand: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektrolyse fra vand er meget rent og er den mest miljøvenlige form for brintproduktion. Dette frigiver brint og ilt i modsætning til forarbejdning af fossile brændstoffer, som frigiver CO2.
- Elektrolyse af vand; Elektrolyse er en kemisk reaktion, der spalter vandmolekyler for at skabe rent brint og ilt. Brint kan laves overalt, hvor der er vand og elektricitet. En ulempe er, at man skal bruge elektricitet for at lave brint og så omdanne det til elektricitet igen. Op til 50 % går tabt under denne proces. Fordelen er, at energien er lagret i brint.
- Konvertering af fossile brændstoffer; olie og gas indeholder kulbrintemolekyler, der består af kulstof og brint. Brint kan spaltes fra kulstof ved hjælp af en såkaldt brændstofprocessor. Ulempen er, at kulstoffet forsvinder ud i luften som kuldioxid.
Den brintproduktion, der opnås med fossile brændstoffer, kaldes grå brint. Dette frigiver NOx og CO2 til atmosfæren.
Fra 2020 og frem bliver produktionen mere og mere "blå": CO2 vil blive opfanget.
Målet er udelukkende at producere grøn brint i 2030: Grøn elektricitet og vand er kilderne til den mest miljøvenlige brint produceret.
I den kemiske verden omtales brint som H2, hvilket betyder, at et brintmolekyle er opbygget af to brintatomer. H2 er en gas, der ikke forekommer i naturen. H2-molekylet forekommer i alle slags stoffer, det mest kendte er vand (H20). Brint skal opnås ved at adskille brintmolekylet fra fx et vandmolekyle.
At producere brint gennem elektrolyse er derfor fremtiden.
Følgende billede viser en model, der almindeligvis bruges i kemitimer.
- Positive og negative streger på et batteri hænger i vandet;
- På anodesiden får du ilt;
- På katodesiden får man brint.
Brint fremstillet af fossilt brændsel, for eksempel Methan (CH4), omdannes i dette tilfælde til H2 og CO2 via reformering. CO2'en kan udskilles og opbevares under jorden, for eksempel i et tomt naturgasfelt. Brugen af naturgas bidrager derfor kun ringe eller intet til CO2-udledningen til atmosfæren. Brint kan også fremstilles af biomasse. Hvis den CO2, der frigives under denne proces, også separeres og opbevares under jorden, er det endda muligt at opnå negative CO2-emissioner; fjerne CO2 fra atmosfæren og lagre denne CO2 på Jorden.
Brint er i modsætning til fossile brændstoffer som olie, naturgas og kul ikke en energikilde, men en energibærer. Det betyder, at den energi, der frigives ved brug af brint, for eksempel som brændstof i en bil, først skal tilføres. Elektricitet er nødvendig for at producere brint gennem elektrolyse. Bæredygtigheden af denne brint afhænger så i høj grad af bæredygtigheden af den anvendte elektricitet.
Brint som brændstof til en Otto-motor:
En Otto-motor er et andet navn for en benzinmotor. Benzinmotoren blev opfundet i 1876 af Nikolaus Otto. I dette tilfælde kalder vi det en Otto-motor, fordi benzinen erstattes af et andet brændstof, nemlig brint. I en motor, hvor der indsprøjtes brint, er der ikke længere en brændstoftank med benzin.
Når brint afbrændes, produceres der ingen CO2-gasser i modsætning til konventionelle Otto- og dieselmotorer, men kun vand. Når brint indsprøjtes via direkte indsprøjtning, vil der være en effektforøgelse på 15 til 17 % sammenlignet med benzin. Når brinten sprøjtes ind i indløbsventilen (indirekte indsprøjtning), sker hurtig opvarmning gennem luften. Luften fortrænges også af brinten. I begge tilfælde strømmer mindre ilt (O2) ind i forbrændingskammeret. I værste fald er der et strømtab på op til 50 %.
Forholdet mellem luft og brint er ikke så præcist som for eksempel en luft-benzinblanding. Formen på forbrændingskammeret er derfor ikke af stor betydning.
Brint kan injiceres på to måder:
– Væske: Ved væsketilførsel af brint vil forbrændingstemperaturen falde relativt på grund af fordampning, så der dannes mindre NOx.
– Gasformig: Hvis brinten opbevares i flydende form i tanken, og det strømmer ind i forbrændingsrummet ved omgivelsestemperatur, skal der bruges en fordamper til at omdanne brinten fra flydende til gasformig tilstand. I så fald opvarmes fordamperen af motorkølevæsken. Mulige foranstaltninger til at reducere NOx er; ansøger EGR, vandinjektion eller en lavere kompressions forhold.
Billedet nedenfor viser fire situationer med tre forskellige versioner af brintinjektion. På det andet billede fra venstre sprøjtes den gasformige brint indirekte ind i indsugningsmanifolden. Den gasformige brint opvarmes af den omgivende temperatur. Brinten optager også plads, hvilket får mindre ilt til at strømme ind i cylinderen. Dette er den situation, hvor det største strømtab forekommer.
På det tredje billede tilføres brinten i flydende form. Kryogen betyder, at brinten er blevet afkølet meget kraftigt (en metode til at opbevare store mængder brint i flydende form i en relativt lille lagertank). Fordi temperaturen på brinten er lavere, og den er i flydende tilstand, sker der en bedre cylinderfyldning. På grund af den lave temperatur opnås en virkningsgrad næsten lige så høj som en motor med direkte (brint)indsprøjtning. Motoren med direkte indsprøjtning kan ses på det fjerde billede. Hele forbrændingsrummet er fyldt med ilt. Når indsugningsventilen er lukket, og stemplet komprimerer luften, sprøjtes en vis mængde brint ind gennem injektoren. Tændrøret på denne motor er bagved eller ved siden af injektoren (dette er ikke vist på billedet).
Effektiviteten af en Otto-motor er naturligvis ikke 100%, men på dette billede sammenlignes effektiviteten af forbrændingen af brint med forbrændingen af benzin.
Brint har en høj energitæthed pr. masseenhed (120MJ/kg), hvilket gør den næsten tre gange så høj som benzin. Brintens gode tændingsegenskaber gør det muligt at køre motoren meget magert, med en lambdaværdi på 4 til 5. Ulempen ved at bruge en mager blanding er, at effekten bliver lavere og køreegenskaberne reduceres. For at kompensere for dette bruges ofte superladning (en turbo).
På grund af det større antændingsområde sammenlignet med benzin, er risikoen for detonation eller bagslag større. Det er derfor meget vigtigt, at der er god styr på brændstoftilførslen og tændingen. Ved fuld belastning kan temperaturen i forbrændingskammeret blive meget høj. Der er ofte vandinjektion nødvendigt for at sikre tilstrækkelig afkøling, og dermed også for at forhindre for tidlig antændelse (i form af detonation eller bagslag).
Brændselscelle:
Det foregående afsnit forklarede, hvordan brint kan tjene som brændstof til forbrændingsmotoren. En anden anvendelse af brint er i brændselscellen. Et køretøj udstyret med en brændselscelle har ikke en forbrændingsmotor, men en eller flere elektriske motorer. Den elektriske energi til at drive de elektriske motorer produceres af brændselscellen. En brændselscelle er en elektrokemisk enhed, der omdanner kemisk energi direkte til elektrisk energi uden termiske eller mekaniske tab. Energiomsætningen i brændselscellen er derfor meget effektiv. Brændselscellen kører generelt på brint, men et brændstof som methanol kan også bruges.
En brændselscelle kan i princippet sammenlignes med et batteri, fordi begge producerer strøm gennem en kemisk proces. Forskellen er, at den lagrede energi i batteriet frigives én gang. Energien løber tør med tiden, så batteriet skal genoplades. En brændselscelle giver kontinuerlig energi, så længe der tilføres reaktanter til den elektrokemiske celle. Reaktanter er kemiske stoffer, der reagerer med hinanden i en kemisk reaktion.
I en brændselscelle omdannes brint og oxygen til H+ og OH- ioner (ladede partikler). Ionerne er adskilt af en membran i separate kamre i brændselscellen. Brændselscellen indeholder to porøse carbonelektroder, hvorpå der er påført en katalysator; for brint (H) en negativ elektrode (anode) og for oxygen (O) en positiv elektrode (katode).
H+ og OH- ioner ledes til hinanden via elektroderne (anode og katode), hvorefter + og – ionerne reagerer med hinanden. Katoden katalyserer den reaktion, hvor elektronerne og protonerne reagerer med ilt og danner slutprodukt to, nemlig vand. H+ og OH- ionerne danner sammen et H2O-molekyle. Dette molekyle er ikke en ion, fordi dets elektriske ladning er neutral. Pluspartiklen og minuspartiklen giver tilsammen en neutral partikel.
Oxidationen af hydrogen (H) finder sted ved anoden. Oxidation er den proces, hvor et molekyle donerer sine elektroner. Anoden fungerer som en katalysator, der spalter brinten i protoner og elektroner.
Reduktion sker ved katoden ved tilsætning af oxygen (O). Elektronerne, forseglet af anoden, vil rejse til katoden via en elektrisk ledning, der forbinder elektronerne rundt om ydersiden.
Ved ikke at overføre elektroner direkte, men via en ekstern rute (strømtråden), frigives denne energi stort set som elektrisk energi. Kredsløbet er lukket af ioner i en forbindelseselektrolyt mellem reduktionsmidlet og oxidationsmidlet.
Den partikel, der optager elektroner, kaldes et oxidationsmiddel og reduceres derved. Reduktionsmidlet mister elektroner og oxideres. En reduktion er den proces, hvorved en partikel absorberer elektroner. Oxidation og reduktion går altid sammen. Antallet af frigivet og absorberet elektroner er altid det samme.
Følgende reaktion finder sted ved den negative pol:
En anden reaktion finder sted ved den positive pol:
Billedet nedenfor viser bunden af en Toyota brændselscellestak. Denne brændselscellestak er placeret under motorhjelmen på bilen. Den elektriske motor er fastgjort til denne stak. Elmotoren leverer kraften til transmissionen, som er forbundet med drivakslerne for at overføre drivkræfterne til hjulene.
Flere luftrør kan ses i toppen af stakken. Dette omfatter blandt andet luftpumpen, der pumper luften til brændselscellerne, afhængig af den effekt, som elmotoren kræver.
Denne brændselscellestak er udstyret med 370 brændselsceller. Hver brændselscelle leverer 1 volt, så der kan i alt tilføres 370 volt til elmotoren. Brændselscellerne er alle placeret under hinanden. Den røde cirkel viser en forstørrelse, hvor stablingen af brændselscellerne tydeligt kan ses.
Opbevaringstank:
Selvom brint har en høj energitæthed pr. enhedsmasse (120MJ/kg) og derfor er næsten tre gange så høj som benzin, er energitætheden pr. volumenenhed meget lav på grund af dens lavere specifikke masse. Til opbevaring betyder det, at brinten skal opbevares under tryk eller i flydende form for at kunne bruge en lagertank med et overskueligt volumen. Der er to varianter til køretøjsapplikationer:
- Gasformig opbevaring ved 350 eller 700 bar; Ved 350 bar er tankvolumen målt i energiindhold en faktor 10 større end ved benzin.
- Væskeopbevaring ved en temperatur på -253 grader (kryogen lager), hvor tankvolumen mht. energiindhold er en faktor 4 større end ved benzin. Med gaslagring kan brint lagres i det uendelige uden brændstoftab eller at gå på kompromis med kvaliteten. Kryogen opbevaring resulterer på den anden side i dampdannelse. Fordi trykket i tanken stiger på grund af opvarmning, vil brint undslippe gennem overtryksventilen; en lækage på cirka to procent om dagen er acceptabel. Alternative opbevaringsmuligheder er stadig på forskningsstadiet.
Billedet nedenfor viser to lagertanke under bilen. Det er lagertanke, hvor brinten opbevares i gasform under et tryk på 700 bar. Disse lagertanke har en vægtykkelse på cirka 40 millimeter (4 centimeter), hvilket gør dem modstandsdygtige over for højt tryk.
Herunder kan du igen se, hvordan brinttankene er monteret under bilen. Plastrøret er drænet for vand, der skabes under omdannelsen i brændselscellen.
Tankning med brint:
På tidspunktet for skrivning af denne artikel er der kun to brinttankstationer i Holland. En af disse tankstationer er i Rhoon (Sydholland). Billederne viser påfyldningsdyserne, der bruges til at tanke brændstof. Arbejdstrykket for påfyldning er 350 bar for erhvervskøretøjer og 700 bar for personbiler.
Påfyldningstilslutningen i bilen er placeret bag den sædvanlige tankklap. Påfyldningspistolen er forbundet til denne påfyldningsforbindelse. Efter tilslutning af påfyldningsdysen låses forbindelsen. Bilens lagertank vil blive fyldt med gasformig brint under et tryk på 700 bar.
Rækkevidde og omkostninger ved brint
Som eksempel tager vi en Toyota Mirai (modelår 2021) og ser på rækkevidden og ekstra omkostninger:
- Rækkevidde på 650 km;
- Forbrug: 0,84 kg / 100 km;
- Brændstofpris pr. km: 0,09 til 13 cents;
- Vejafgift €0,-
Sammenlignet med et køretøj med dieselmotor er en brændselscellebil ikke billig. Selvom omkostningerne til vejafgift spiller en stor rolle, er antallet af tankstationer i Holland stadig knap i 2021. Nedenfor er en sammenligning af omkostningerne pr. 100 km med aktuelle brændstofpriser:
BMW 320d (2012)
- Diesel: 1,30 € pr. liter;
- Forbrug: 5,8 l/100 km;
- Koster 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Brint: 10 € pr. kg;
- Forbrug: 0,84 kg/100 km;
- Koster 100 km: 8,40 €
Relaterede sider:
- Elektrisk drev (Oversigt);
- Energiomstilling.
