Elektrolyseteknologier

Elektrolyse er en velprøvet proces, der på kommercielle vilkår producerer brint til industriel anvendelse som en alternativ proces til reformering af naturgas og andre fossile gasser. Men produktionsomkostningerne i konventionelle alkaliske elektrolyseanlæg har hidtil været for høje til, at den producerede brint kan anvendes i større omfang i energisystemet. For at kunne udnytte brint som en væsentlig energibærer i overgangen til et samfund, der skal være uafhængigt af olie, kul og naturgas, er der brug for at udvikle elektrolyseteknologierne, så de kan blive konkurrencedygtige med konventionelle energiteknologier på pris og virkningsgrad.

I Danmark arbejdes der p.t. med teknologiudvikling inden for tre typer elektrolyse:

Alkalisk elektrolyse

Alkalisk elektrolyse, hvis anode- og katode-elektroder typisk er fremstillet af nikkel eller forniklet stål påført katalytiske belægninger. Katalysatorerne kan være ædle eller ikke ædle metaller. Elektrolytten er en ca. 25 % vandig opløsning af KOH (kaliumhydroxyd). Brint og ilt adskilles i cellerne af et diaphragma/membran, der er gennemtrængelig for vand og hydroxyd ioner, men samtidig gastæt.

Den forsknings- og udviklingsmæssige udfordring er at øge driftstemperaturen fra ca. 80 °C til mere end 200 °C og at øge driftstrykket på stakken for at opnå en højere systemeffektivitet. Desuden skal der testes mere stabile materialer til elektroder, diaphragmer og pakninger, der har vist lovende egenskaber, men som endnu ikke har dokumenteret stabilitet i langtidstest.

PEM-elektrolyse

PEM elektrolyse, hvis celle principielt minder om PEM-brændselscellen. En PEM-elektrolysecelle er opbygget omkring en polymer elektrolytmembran i umiddelbar kontakt med to gasdiffusionselektroder, der udvikler hhv. ilt og brint. Elektrolytmembranens egenskaber bestemmer anlæggets driftstemperatur: lavtemperatur PEM (LT-PEMEC) opererer ved 65-85 °C, mens højtemperatur PEM (HT-PEMEC) opererer ved 160-180 °C.

Katalysatoren på begge gasdiffusionselektroder er platin eller ædelmetal legeringer. Iltelektroden i en PEMEC må pga. højere cellespænding fremstilles af andre materialer end kulstof eller rustfrit stål, der er standard i PEM-brændselsceller. Gasdiffusionsdelen af elektroden fremstilles derfor f.eks. af titan. Elektrolytmembranen gør det sammen med de metalbaserede, porøse gasdiffusionselektroder muligt at fremstille rent brint under højt tryk (op til 200 bar).

LT-PEM elektrolyse findes i kommercielle anlæg til industriel brug og er p.t. under udvikling til demonstration i mindre anlæg med energimæssige formål, mens HT-PEM elektrolyse endnu er i en mere forskningsmæssig fase.

Fastoxidelektrolyse

Fastoxid-elektrolyse (SOEC) er udviklingsmæssigt ikke så langt fremme som de to øvrige elektrolyseteknologier, men har et spændende potentiale i form af højere virkningsgrad og mulighed for at udnytte CO2 som råstof til produktion af syntetisk naturgas. En SOEC-celle består af to elektroder på hver side af en tynd ilt-ionledende elektrolyt.

Der anvendes p.t. keramiske materialer til både elektroder og elektrolyt. De to porøse elektroder er typisk lavet af hhv. nikkel/YSZ (yttria-stabiliseret zirkonia) og YSZ/LSM (lanthan-strontium-manganat), mens elektrolytten normalt består af YSZ. SOEC-celler stables mellem elektrisk ledende interconnectplader i ferritisk rustfrit stål pålagt en beskyttende belægning for at opnå praktiske anlægsstørrelser og passende arbejdsspænding.

Forsknings- og udviklingsmæssigt arbejdes der med billigere materialer, der også kan operere ved lavere driftstemperaturer end de aktuelle 750-950 °C.

SOEC-anlæg kan anvendes både til elektrolyse af vanddamp (H2O) og CO2 med høj produktionshastighed og høj virkningsgrad. Ved kombineret elektrolyse dannes syntesegas (H2 og CO), som kan omdannes til syntetiske brændsler ved hjælp af eksisterende katalyseteknologi.

I Danmark arbejder GreenHydrogen.dk og HIRC med alkalisk elektrolyse, IRD Fuel Cells med LT-PEM elektrolyse, DTU Kemi med HT-PEM elektrolyse, mens SOEC-indsatsen foregår i et samarbejde mellem Topsoe Fuel Cell og Risø DTU. Danske aktører er udviklingsmæssigt langt fremme internationalt og har opnået en nøglerolle i flere ambitiøse EU-finansierede elektrolyse-projekter.

 


Kilde: Elektrolyse i Danmark (Partnerskabet for brint og brændselsceller, 2009)

 
 

Læs også:

Smart Grid

 

Sidst opdateret: 04-08-2015