Elektrolyse af brint

I øjeblikket er den mest kommercielt udviklede teknologi til fremstilling af brint elektrolyse. Elektrolyse er en optimistisk fremgangsmåde til kulstoffri brintproduktion fra vedvarende og nukleare ressourcer. Vandelektrolyse er nedbrydning af vand (H2O) til dets grundbestanddele, brint (H2) og ilt (O2), ved hjælp af elektrisk strøm. Vand er en fuldstændig kilde til produktion af brint, og det eneste biprodukt, der frigives under processen, er ilt. Denne proces bruger elektrisk energi, som kan lagres som kemisk energi i form af brint.

Hvad er processen?

For at fremstille brint konverterer elektrolyse elektrisk energi til kemisk energi ved at lagre elektroner i stabile kemiske bindinger. Ligesom brændselsceller består elektrolysatorer af en anode og en katode, der er adskilt af en vandig elektrolyt, alt efter hvilken type elektrolytmateriale der er tale om, og hvilke ioniske arter der ledes. Elektrolytten er en obligatorisk del, da rent vand ikke har evnen til at bære tilstrækkelig meget ladning, da det mangler ioner. Ved anoden oxideres vandet til iltgas og brint-ioner. Ved katoden reduceres vandet til brintgas og hydroxidioner. På nuværende tidspunkt er der tre førende elektrolyseteknologier.

Alkaline elektrolysatorer (AEL)

Denne teknologi har været anvendt i industriel skala i over 100 år. Alkaline elektrolysatorer fungerer ved at transportere hydroxidioner (OH-) gennem elektrolytten fra katoden til anoden, idet der dannes brint på katodens side. Elektrolysatorer, der arbejder ved 100-150 °C, anvender en flydende alkalisk opløsning af natrium- eller kaliumhydroxid (KOH) som elektrolyt. I denne proces er anode og katode adskilt ved hjælp af et membran, der forhindrer genblanding. Ved katoden spaltes vand tilH2 og frigiver hydroxid-anioner, som passerer gennem membranen og rekombineres ved anoden, hvor der dannes ilt. Da der er tale om en veletableret teknologi, er produktionsomkostningerne relativt lave, og den er stabil i lang tid. Den har dog en overgangsfase i gasser, hvilket kan gå ud over dens renhedsgrad, og den kræver brug af en korrosiv flydende elektrolyt.

Polymerelektrolytmembranelektrolysatorer (PEM)

Polymerelektrolytmembraner er den nyeste teknologi, der anvendes kommercielt til fremstilling af brint. I en PEM-elektrolyser er elektrolytten et fast specialplastmateriale. PEM-elektrolyserne fungerer ved 70°-90°C. I denne proces reagerer vandet ved anoden for at danne ilt og positivt ladede brintioner (protoner). Elektronerne strømmer gennem et eksternt kredsløb, og hydrogenionerne bevæger sig selektivt gennem PEM til katoden. Ved katoden kombineres hydrogenionerne med elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne brintgas. Sammenlignet med AEL er der flere fordele: produktgassens renhed er høj i delbelastningsdrift, systemdesignet er kompakt og har en hurtig systemrespons. Komponentomkostningerne er imidlertid høje, og holdbarheden er lav.

Elektrolysatorer med fast oxid (SOE)

AEL- og PEM-elektrolysatorer er kendt som lavtemperaturelektrolysatorer (LTE). Fastoxidelektrolyser (SOE) er imidlertid kendt som højtemperaturelektrolyser (HTE). Denne teknologi er stadig på udviklingsstadiet. I SOE anvendes fast keramisk materiale som elektrolyt, der leder negativt ladede ilt-ioner (O2-) ved forhøjede temperaturer og genererer brint på en lidt anderledes måde. Ved en temperatur på ca. 700-800 °C kombineres damp ved katoden med elektroner fra det eksterne kredsløb til brintgas og negativt ladede ilt-ioner. Oxygenionerne passerer gennem den faste keramiske membran og reagerer ved anoden for at danne iltgas og generere elektroner til det eksterne kredsløb. Fordelene ved denne teknologi er, at den kombinerer høj varme- og elvirkningsgrad og producerer lave emissioner til en relativt lav pris. På grund af den høje varme- og strømforbrug tager det dog længere tid at starte op på grund af den høje varme- og strømforbrug.

Hvorfor overvejer man at bruge brint som et alternativt brændstof?

Brint betragtes som et alternativt brændstof i henhold til Energy Policy Act fra 1992. Brint fremstillet ved hjælp af elektrolyse kan bidrage med nul drivhusgasemissioner, afhængigt af kilden til den anvendte elektricitet. Denne teknologi er ved at blive udviklet til at fungere sammen med vedvarende energi (vind, sol, vandkraft, geotermisk energi) og kerneenergi for at opnå næsten ingen drivhusgas- og andre forurenende emissioner. Denne type produktion vil dog kræve, at omkostningerne skal sænkes betydeligt for at være konkurrencedygtig med mere modne kulstofbaserede metoder som f.eks. reforming af naturgas. Der er potentiale for synergi med elproduktion på grundlag af vedvarende energi. Brintbrændstof- og elproduktion kan distribueres og placeres i vindmølleparker, hvilket giver fleksibilitet til at flytte produktionen for at tilpasse ressourcetilgængeligheden bedst muligt til systemets driftsbehov og markedsfaktorer.