Annons

Bränsleceller: effektivt - men dyrt

Pengar - inte teknik - hindrar bränsleceller från att erövra världen.

Annons

Sedan Apolloprogrammet och månlandningarna under 1960- och 70-talen har bränsleceller varit en hägrande teknik för att producera energi. Med bränsleceller som strömkälla skulle mobiltelefoner och bärbara datorer klara sig i veckor innan de behövde laddas. Bilmotorer skulle bli effektivare, samtidigt som de blev tystare och inte gav ifrån sig några andra avgaser än vattenånga.

Principen för bränsleceller har varit känd i mer än ett och ett halvt sekel, men trots decennier av aktiv utveckling och forskning är tekniken alltför dyr för att bli allmänt spridd. Att tillverka en bränslecell för att driva en bil kan fortfarande kosta hundra gånger så mycket som en vanlig bilmotor. En betydande del av kostnaden kommer av att de flesta bränsleceller kräver platina för att fungera.

- Både vid anoden och katoden används platina som katalysator. Platina är en oerhört dyr metall, och resurserna på jorden är begränsade, säger Carina Lagergren, doktor i tillämpad elektrokemi vid Kungliga Tekniska högskolan.

Kemisk energi

Tanken bakom bränsleceller är att använda kemisk energi för att få elektrisk ström - ett kraftfullt batteri som fortsätter att leverera ström så länge det har bränsle. Sedan fyller man antingen på mer bränsle eller sätter i en ny bränslekapsel.

Carina Lagergren är en av forskningsledarna i den grupp som bedriver den bredaste forskningen om bränsleceller i Sverige. De forskar på flera olika plan, bland annat för att få ner mängden platina utan att tappa i effekt. Ett gram platina kostar omkring 300 kronor och är tillräckligt för en bränslecell på en kilowatt. För att driva en bil behövs hundra gånger så mycket.

- De senaste åren har mängden platina kunnat minskas. Men vi vill minska den ännu mer, och även vara säkra på att all platina i bränslecellen faktiskt används, säger Carina Lagergren.

Bilar driver på utveckling

De flesta bränsleceller använder väte och syre som får reagera under kontrollerade former. Olika typer av bränsleceller utnyttjar olika ämnen för att skilja bränslet från syre.

- Det folk oftast menar när de säger bränslecell är den som använder en polymerelektrolyt. Elektrolyten ser ut ungefär som en overheadfilm och kan under vissa förhållanden leda vätejoner, säger Carina Lagergren.

Att just den bränslecellen - kallad pem - är störst märks i forskningsanslag: satsningar på pem-celler överstiger investeringarna i alla andra typer av bränsleceller tillsammans. En av orsakerna är att pem är kandidat till att ersätta motorer i bilar. Flera biltillverkare, framförallt i Japan men även i USA, arbetar med prototyper av bilar drivna med pem-celler.

Under 2003 deltog StorStockholms lokaltrafik, SL, i ett försök att testa bränsleceller i bussar - mer kända som vätgasbussar.

- Vi blev positivt överraskade, trots att vi hade höga förväntningar. Däremot hade vi problem med tankställena för vätgas. Trots det körde bussarna i full trafik under de sista 18 månaderna, säger Jonas Strömberg som ledde SL:s del av projektet.

I framtidsvisionen är hela fordonet anpassat efter elmotorer, vilket ger långt högre effektivitet än bensin- och dieselmotorer. Men SL:s försöksbussar var inte riktigt så effektiva.

- Det vi ville testa var elmotorn och kraftöverföringen. Därför använde vi en befintlig buss där dieselmotorn hade bytts ut mot en elmotor och ett bränslecellspaket på taket, säger Jonas Strömberg.

Temperatur ett problem

En av svårigheterna med att använda pem-celler effektivt i bilar är att temperaturen måste hållas om- kring 80 grader. Blir det varmare torkar membranet, som skiljer väte och syre åt, och slutar fungera. Just nu pågår mycket forskning för att försöka höja temperaturen för pem-celler med ungefär 40 grader.

- Man måste kyla bort värme, och det är svårt att göra vid 80 grader. Vid 120 grader kan man använda samma typ av kylsystem som finns i fordon i dag. Höjer man temperaturen kan man dessutom få reaktionerna i cellen att gå snabbare, säger Carina Lagergren. Bränslecellsbilar måste inte bara konkurrera med dagens bensin- och dieselfordon, utan också med plug in-hybrider. De senare använder uppladdningsbara batterier för att driva bilen under exempelvis stadskörning. Batteritekniken är redan långt utvecklad, och det kan dröja länge innan bränslecellerna kommer ikapp.

Även när det gäller tankning har hybridbilar ett försprång. De behöver i princip bara ett eluttag, medan vätgasbilar kräver ny infrastruktur för att lagra, transportera och tanka den brandfarliga vätgasen.

Många forskare tror därför att de första bränslecellerna för konsumenter kommer att användas för betydligt mindre saker än bilar.

- Den första marknaden kommer nog att bli för portabel elektronik. När det rör sig om så lite ström behövs inte så stora enheter, och då kan kostnaderna hållas nere, säger Lars Sjunnesson, professor i energivetenskap vid Lunds tekniska högskola.

- Efter det kommer förmodligen de portabla kraftstationerna. Där kommer säkert militären att driva på utvecklingen, eftersom de har behov av strömförsörjning i fält, säger Lars Sjunnesson.

Sex typer av bränsleceller

Alkaliska bränsleceller användes i USA:s Apolloprogram och var även på väg att användas för att driva svenska ubåtar.

- De nya bränslecellerna är minst dubbelt så effektiva. De alkaliska bränslecellerna skadades också av koldioxid i luften, säger Otto von Krusenstierna, som ledde Aseas utveckling av bränsleceller för ubåtar under slutet av 1960-talet.

Aseas alkaliska bränsleceller använde ammoniak som bränsle, som före förbränningen delades upp i väte och kväve. Bränslecellerna för ubåtar konkurrerades ut av sterlingmotorn innan de hann börja användas.

Den gamla kraftstationen

Fosforsyrabränsleceller (pafc) har i försök använts som kraftstationer, bland annat av dåvarande Sydkraft.

- De ska teoretiskt göra 40 procent av den kemiska energin till el och ungefär lika mycket värme, men nedbrytning i cellerna gjorde att det blev mindre och mindre el. De är dessutom ganska dyra, så vi hade svårt att se att de någonsin skulle bli ekonomiska, säger Lars Sjunnesson, som medverkande i Sydkrafts försök under 1990-talet.

De bränsleceller som Sydkraft använde var stora som containrar och drevs med naturgas. pafc har dessutom använts av militären för portabel strömförsörjning.

Den nya kraftstationen

Smältkarbonatbränsleceller (mcfc) arbetar vid temperaturer på 600 grader och varmare. Den höga temperaturen ger två stora fördelar: dels behövs inte platina som katalysator, dels kan man utnyttja värmen för att sönderdela metan till kol och väte.

mcfc är en av bränslecellerna med högst effektivitet: upp till 60 procent av den inmatade kemiska energin omsätts till elektricitet. Om även värmen tas till vara kan verkningsgraden bli så hög som 80 procent.

I Europa och USA finns i dag mcfc-anläggningar installerade som producerar totalt 60 megawatt, vilket motsvarar elförbrukningen för 20 000 villor. Tekniken finns kommersiellt tillgänglig, men är fortfarande för dyr för att konkurrera med andra kraftverk.

Bilmotorn

Bränsleceller med polymermembran (pem) är den typ som är mest omtalad, och det är också på den som det sker mest forskning.

Sedan 2005 använder Telia pem-celler i stället för dieselgeneratorer som reservkraft på vissa telestationer.

- Det ger dels miljövinster, dels kan vi skräddarsy reservtiden upp till två veckor. Någonstans mellan 2009 och 2013 tror vi att bränsleceller kan konkurrera både tekniskt och ekonomiskt, säger Mikael Flodin som leder projektet vid Telia.

Det nya batteriet

Direktmetanolbränslecell (dmfc) är en variant av pem som matas med metanol i stället för väte. Restprodukterna blir vatten och koldioxid. dmfc är den bränslecell som är den mest troliga ersättaren för batterier i portabel elektronik.

dmfc ger lägre effekt än pem, men har fördelar i och med att den flytande metanolen är lättare att hantera än vätgas. Problemen med dmfc är bland annat att metanol läcker genom membranet och sänker verkningsgraden.

Hushållsgeneratorn

Fastoxidbränslecell (sofc) har tidigare bara använts för kraftverk, men på senare tid har mindre celler blivit intressanta.

- Under de senaste fem åren har bränsleceller utvecklats för reservkraft. Det har också varit intresse för sofc som en sorts villapannor i Tyskland och Japan, eftersom de har gas framdragen till hushållen, säger Bengt-Erik Mellander, professor i fysik som forskar om sofc vid Chalmers tekniska högskola.

sofc har en temperatur på nära 1 000 grader, vilket gör att den själv kan reformera naturgas till bland annat väte. Forskning pågår för att minska temperaturen till under 750 grader för att minska materialkostnaderna.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.

1