Brint Anvendelser | Brint

Brint er alsidigt og kan anvendes på forskellige måder. Disse mange anvendelsesmuligheder kan grupperes i to store kategorier;

1. Væskebrinte som råvare. En rolle, hvis betydning er blevet anerkendt i årtier, og som fortsat vil vokse og udvikle sig.
3. Vedrogen som en energivektor, der muliggør energiomstillingen. Brugen af brint i denne sammenhæng er allerede begyndt og er gradvist stigende. I den kommende tid vil dette område vokse dramatisk. Brints alsidighed og dets mangfoldige anvendelse er grunden til, at brint kan bidrage til at dekarbonisere eksisterende økonomier. Brints rolle i dekarboniseringsprocessen kan sammenfattes som vist i nedenstående graf:

Langt etablerede anvendelser – Brint som råvare (materialebaserede anvendelser)

I dag anvendes brint i flere industrielle processer. Blandt andre anvendelser er det vigtigt at fremhæve dets anvendelse som råmateriale i den kemiske industri og også som reduktionsmiddel i den metallurgiske industri. Brint er en grundlæggende byggesten til fremstilling af ammoniak, og dermed gødning, og af methanol, der anvendes til fremstilling af mange polymerer. Raffinaderier, hvor brint anvendes til forarbejdning af olieprodukter i mellemprodukter, er et andet anvendelsesområde. Således anvendes ca. 55 % af den brint, der produceres i verden, til ammoniaksyntese, 25 % i raffinaderier og ca. 10 % til produktion af methanol. De øvrige anvendelser på verdensplan tegner sig kun for ca. 10 % af den globale brintproduktion.

Ammoniak – gødning

Den vigtigste brint-stickstofforbindelse er ammoniak (NH3), også kendt som azan. Teknisk set fremstilles ammoniak i stor skala ved Haber-Bosch-processen. Denne proces kombinerer brint og kvælstof direkte sammen ved syntese. Dertil skal udgangsmaterialerne kvælstof og brint først fremstilles. For kvælstoffets vedkommende sker dette ved lavtemperaturseparation af luft, mens brint i dag stammer fra dampreformering af naturgas.

Næsten 90 % af ammoniakken går til gødningsproduktion. Til dette formål omdannes en stor del af ammoniakken til faste gødningssalte eller, efter katalytisk oxidation, til salpetersyre (HNO3) og salte heraf (nitrater). På grund af sin høje fordampningsenergi anvendes ammoniak også i køleanlæg som et miljøvenligt og billigt kølemiddel; dets tekniske navn er R-717.

Industrielle områder

Hydrogen anvendes i forskellige i industrielle anvendelser; disse omfatter metalforarbejdning (primært til metallegering), planglasproduktion (hydrogen anvendes som inert- eller beskyttelsesgas), elektronikindustrien (anvendes som beskyttelses- og bæregas, i aflejringsprocesser, til rengøring, til ætsning, i reduktionsprocesser osv.) og anvendelser inden for elproduktion, f.eks. til generatorkøling eller til korrosionsforebyggelse i kraftværksrørledninger.

Den direkte reduktion af jernmalm – dvs. adskillelse af ilt fra jernmalmen ved hjælp af brint og syntesegas – kunne udvikle sig til en vigtig industriel proces inden for stålfremstilling, fordi der ved den traditionelle højovnsmetode frigøres store mængder kulstof. Mens direkte reduktion med naturgas nu er veletableret i stålproduktionen (World Steel Association 2015), findes tilsvarende produktionsmetoder baseret på brint indtil videre kun i pilotskala.

Brændstofproduktion

Brændstof anvendes til at forarbejde råolie til raffinerede brændstoffer, f.eks. benzin og diesel, og også til at fjerne forurenende stoffer, f.eks. svovl, fra disse brændstoffer.

Anvendelsen af hydrogen i raffinaderier er steget i de seneste år af forskellige årsager:
(i) de strenge regler, der kræver lavt svovlindhold i diesel,
(ii) det øgede forbrug af “tung” råolie af lav kvalitet, som kræver mere hydrogen at raffinere, og
(iii) det øgede olieforbrug i udviklingsøkonomier som Kina og Indien.

Omkring 75 % af den brint, der i øjeblikket forbruges på verdensplan af olieraffinaderier, leveres af store brintanlæg, der genererer brint fra naturgas eller andre kulbrintebrændstoffer

Brint er også et vigtigt grundstof til fremstilling af methanol (CH 3 OH). Fremstillingen af methanol (methanolsyntese) sker ved katalytisk hydrogenering af kulilte.
Methanol kan anvendes direkte som brændstof i forbrændingsmotorer. Det anvendes også i direkte methanolbrændselsceller eller, efter reforming, i PEM-brændselsceller. Der fremstilles brændstoftilsætningsstoffer af methanol, og det bruges til at omesterificere vegetabilske olier til methylestere (biodiesel).

Genbrug – energibaserede anvendelser

På energiområdet anvendes det meste brint gennem brændselsceller (FC’er). En brændselscelle er en elektrokemisk anordning, der kombinerer brint og ilt for at producere elektricitet med vand og varme som biprodukter. I sin enkleste form består en enkelt brændselscelle af to elektroder – en anode og en katode – med en elektrolyt mellem dem. Ved anoden reagerer brint med en katalysator, hvorved der dannes en positivt ladet ion og en negativt ladet elektron. Protonerne passerer derefter gennem elektrolytten, mens elektronerne bevæger sig gennem et kredsløb og skaber en strøm. Ved katoden reagerer ilt med ionen og elektronen og danner vand og nyttig varme.

Vidrogen i transportsektoren

Vidrogenbrændstof anses for at være en god kandidat til at bidrage til dekarbonisering af vejtransportsektoren, hvis det fremstilles ved hjælp af vedvarende energikilder gennem elektrolyseprocessen. I dette tilfælde er hovedfordelene ved elektriske køretøjer med brændselscelleanlæg nul emission af CO 2 og forurenende stoffer (udledningen ved udstødningsrøret er kun vand) og brændselscellernes højere effektivitet sammenlignet med forbrændingsmotorer. Personbiler og bybusser, blandt andre køretøjer, som materialehåndteringsudstyr osv, er gode eksempler på den nye teknologi, der er klar til massekommercialisering i de kommende år.

Anvendelsesmulighederne for brint som brændstof til mobilitet kan for det første differentieres efter brints kemiske form eller binding og for det andet efter den energiomformer, ved hjælp af hvilken den energi, der er lagret i brinten, gøres tilgængelig.

• Ved direkte anvendelse anvendes (ren) molekylær brint (H2) af transportmidlet direkte, dvs. uden yderligere omdannelse, som energikilde. I dette tilfælde kan brint anvendes både i forbrændingsmotorer og i brændselsceller (brændselscellesystemer).
• I indirekte anvendelse anvendes brint til fremstilling af endelige energikilder eller omdannes ved hjælp af yderligere omdannelsestrin til gasformige eller flydende brintholdige brændstoffer. Sådanne PtG- (Power-to-Gas) og PtL- (Power-to-Liquids) brændstoffer kan så igen anvendes i varmemotorer. Anvendelse i brændselsceller ville også være mulig (i nogle tilfælde) ved hjælp af en reformer, men det er ikke økonomisk rentabelt.

Luftfart

I den civile luftfart betragtes brintdrevne brændselsceller som potentielle energileverandører til fly, ligesom de har været det i rumfart i et stykke tid nu. Brændselscellemoduler kan således levere elektricitet til flyets elektriske system som nødgeneratorsæt eller som hjælpestrømforsyningsenhed. Mere avancerede koncepter omfatter start af hovedmotoren og næsehjulstræk til flyvepladsbevægelser i trafikfly.

Maritime anvendelser

Som inden for luftfart afprøves brændselsceller i øjeblikket som energileverandører til strømforsyningen om bord. Brugen af brintdrevne brændselsceller til fremdrift af skibe befinder sig derimod stadig i en tidlig design- eller forsøgsfase – med anvendelse i mindre passagerskibe, færger eller fritidsfartøjer. Lav- og højtemperaturbrændselscellen (PEMFC) og fastoxidbrændselscellen (SOFC) anses for at være de mest lovende brændselscelletyper til nautiske anvendelser (EMSA 2017). Indtil videre er der dog endnu ikke blevet anvendt brændselsceller i skala til og på store handelsskibe.

Tog

I elektriske lokomotiver leveres drivkraften via stationære strømledere (køreledninger, strømskinner) og strømaftagere på køretøjerne. Af tekniske, økonomiske eller andre årsager er det imidlertid ikke alle jernbanestrækninger, der kan elektrificeres. Især på strækninger med et lavt transportvolumen kan de høje initialinvesteringer, der er nødvendige for at elektrificere strækningerne, ikke altid retfærdiggøres. Desuden kan køreledninger ikke anvendes til rangering, hvis der også anvendes kraner til at flytte transportgods. I underjordisk minedrift skal trækkende køretøjer derimod køre uden luftforurenende stoffer.

Sporkøretøjer, der anvender brint som energilager og energikilde, kan udgøre et yderligere alternativ. Brændselscelledrevne jernbanekøretøjer kombinerer fordelen ved forureningsfri drift med fordelen ved lave infrastrukturomkostninger, der kan sammenlignes med omkostningerne ved dieseldrift.

Materielhåndteringskøretøjer

Brændselscelledrevne industritrucks, som f.eks. gaffeltrucks eller bugseringskøretøjer (lufthavne), er særligt velegnede til indendørs drift, fordi de ikke frembringer lokale forurenende emissioner og kun en lav støjemission. Brændselscellekøretøjer har fordele i forhold til batteridrevne industritrucks med hensyn til optankning. I stedet for at skulle udskifte batteriet kan truckene tankes op på to til tre minutter.

De optager mindre plads og er billigere at vedligeholde og reparere. Brændselscelle-industrieltrucks giver mulighed for uafbrudt brug og er derfor særligt velegnede til flerskiftet flådedrift inden for materialehåndtering (FCTO 2014b). Ved større flåder af industritruckflåder i flerholdsdrift kan der opnås (moderate) omkostningsreduktioner i forhold til batteriteknologi, og produktiviteten inden for materialehåndtering kan også øges.

Busser

Med hensyn til vejtransport er busser i det offentlige transportnet det mest grundigt afprøvede anvendelsesområde for brint og brændselsceller. Siden begyndelsen af 1990’erne er der blevet og bliver flere hundrede busser drevet med brint på verdensplan – fortrinsvis i Nordamerika, Europa og i stigende grad også i Asien.

Men selv om brint i begyndelsen stadig blev anvendt i busser med forbrændingsmotorer, koncentrerer busudviklerne sig nu næsten udelukkende om elektriske busser med brændselscelle (FCEB). Brugen af små FCEB-flåder fremmes i byområder som et bidrag til den teknologiske udvikling og til politikken for ren luft.
Brændselscellebusser har nu nået et højt teknisk modenhedsniveau, selv om de endnu ikke er i serieproduktion. På grund af det lille antal busser har de indtil nu stadig været meget dyrere (ca. 1 mio. EUR) end standarddieselbusser, som koster omkring 250 000 EUR. Vedligeholdelsesomkostningerne er også blevet væsentligt reduceret og de pålidelige driftstider øget (Hua et al. 2013).

Afhængigt af det årlige produktionstal skulle produktionsomkostningerne for FCEB’er dog fortsat falde i fremtidige projekter. Produktionsomkostningerne for 12-meter-busser forventes at falde til ca. 450.000 EUR (køb af 100 busser) i 2020 og til ca. 350.000 EUR i 2030, hvilket bringer dem inden for rækkevidde af dieselhybridbusser.

Moderne brændselscellebusser henter deres energi fra to brændselscellestacks, hver med en effekt på ca. 100 kW. De har også et relativt lille traktionsbatteri og er i stand til at genvinde bremseenergi. Desuden har de ca. 30-50 kg komprimeret brint om bord, som opbevares i tryktanke på 350 bar. På den anden side har nogle batteri-elektriske busmodeller store traktionsbatterier og kun små brændselscellestacks, der anvendes som rækkeviddeforlængere.

Brændselscellebusser har nu en rækkevidde på 300-450 km og tilbyder dermed næsten samme fleksibilitet som dieselbusser i den daglige drift. Mens nogle ældre kommunale busser stadig forbruger langt over 20 kg brint (i stedet for 40 liter diesel) pr. 100 km, bruger nyere brændselscellebusser nu kun 8-9 kg pr. 100 km, hvilket giver FCEB’er en energieffektivitetsfordel på ca. 40 % i forhold til dieselbusser. For at udvikle markedet er der planlagt demonstrationsprojekter med store flåder i langtidsbrug. FCEB-flåden i Europa forventes at vokse fra 90 til mellem 300 og 400 køretøjer i 2020.

Læs mere om brændselscellebusser her.

Personbiler

Sammen med batteri-elektriske køretøjer er brintdrevne brændselscelle-personbiler den eneste alternative drivmulighed med nul emissioner til motoriseret privat transport. De første brændselscelle-personbiler blev afprøvet tilbage i 1960’erne som demonstrationsprojekter. Et nyt skub i udviklingen af brændselsceller kom i 1990’erne. I de fleste tilfælde var testbilerne med brændselsceller ombyggede biler, som oprindeligt var udstyret med en forbrændingsmotor. På det tidspunkt var de tidlige testmodeller dog stadig ikke konkurrencedygtige, hverken teknisk eller økonomisk. Desuden blev der indtil for ca. 10 år siden stadig testet benzinmotorprototyper med brint som et alternativt energi- og lavemissionsbrændstof. Der var tale om køretøjer med modificerede bivalente motorer, som kunne køre på både benzin og brint. På grund af brændstoffet opnår brintdrevne forbrændingsmotorer ikke blot en noget højere virkningsgrad end ved benzindrift, de udleder også langt færre forurenende stoffer.

Selv om brint er et rent brændstof med fremragende fysisk-kemiske egenskaber, har det ikke kunnet vinde indpas som brændstof til motoriseret vejtransport. For personbiler er der nu næsten udelukkende fokus på brintdrevne brændselsceller som drivkraftkilde.

Der foreligger nu et væld af praktiske erfaringer med prototyper af brændselscelle-personbiler. En række større bilproducenter er begyndt at tilbyde tidlige serieproducerede køretøjer, som nu er lige så gode som konventionelle biler med forbrændingsmotor med hensyn til funktionalitet. Antallet af brændselscellebiler, der fremstilles i de kommende år, forventes at svinge fra flere hundrede til flere tusinde enheder. Stort set alle brændselscelle-personbiler er i dag udstyret med PEM-brændselsceller, både i serie- og parallelkonfigurationer. Priserne for mellemstore køretøjer udstyret med brændselsceller ligger stadig et godt stykke over priserne for personbiler med forbrændingsmotorer – omkring 60 000 EUR/USD. Med lanceringen af serieproduktion af FCEV’er forventes omkostningerne og priserne på køretøjer at falde betydeligt.

Brændselscellemodellerne i de nyeste brændselscellemodeller har en effekt på 100 kW eller mere. Sammenlignet med batterielektriske biler har de en større rækkevidde – på omkring 400-500 km i dag – med en lavere køretøjsvægt og meget kortere tankningstider på tre til fem minutter. De har normalt 4 til 7 kg brint om bord, som opbevares i tryktanke på 700 bar.

Læs mere om tankstationer

Stationære energianvendelser

Stationære brændselsceller kan anvendes til decentral energiforsyning i områder uden for elnettet. Markedet for applikationer til nødstrømsforsyning (BUP) bliver stadig vigtigere. Backup-applikationer omfatter for det første nødstrømsforsyning og for det andet uafbrydelig strømforsyning (UPS).

Nødgeneratorsæt anvendes til at opretholde driften i tilfælde af længerevarende strømafbrydelser. I sådanne tilfælde er der normalt tale om en (kortvarig) afbrydelse af omstillingen fra netforsyningen.
Uafbrydelige strømforsyninger anvendes derimod til at beskytte meget følsomme tekniske systemer mod svingninger i netforsyningen og kortvarige afbrydelser for at sikre kontinuerlig drift. Anvendelsesområderne omfatter især telekommunikations- og it-systemer, f.eks. radiotårne eller databehandlingscentre.

I sammenligning med konventionelle termiske kraftværker har brændselsceller en langt højere elektrisk virkningsgrad på op til 60 %, selv for små anlæg. Dette er en fordel ud fra et exergetisk perspektiv, da der produceres meget elektricitet af høj værdi og kun lidt varme.

I løbende drift er brændselscellebackups kendetegnet ved følgende fordele: lang autonom drift og levetid, lave vedligeholdelsesomkostninger på grund af manglen på bevægelige dele samt støjsvag og (lokalt) emissionsfri elproduktion.

Backupkapaciteten for stationære brændselsceller varierer fra få kW til over 1 GWe. Brændselsceller med lavt elektrisk output i watt er ofte bærbare brændselsceller, som giver vægtfordele i forhold til genopladelige batterier og generatorer. Der anvendes en række forskellige typer brændselsceller i den stationære sektor, i nogle tilfælde også til køling. Ud over brint anvendes methanol, naturgas og flydende gas som brændsel.

Husholdningsenergi

Hvis der ud over den producerede elektricitet også anvendes den producerede varme, kaldes processen for kraftvarmeproduktion (CHP). Hvis sådanne anlæg anvendes i husvarmesektoren, betegnes de også som mikro- eller minikraftvarmeværker på grund af deres mindre produktion.

Kraftvarmeværker kan drives med to strategier: Anlægget dækker enten det meste af el- eller varmebehovet. Hvis elpriserne er høje, er det hensigtsmæssigt med en el-driftsform. På denne måde kan købet af elektricitet fra elnettet minimeres, eller den producerede kraftvarmeelektricitet kan tilføres elnettet og refunderes.

Den varme, der produceres som et biprodukt ved kraftvarmeproduktion, anvendes til at dække en del af bygningernes varmebehov. Den overvejende el-drevne driftsform resulterer i en lav varmeeffekt fra brændselscellevarmesystemer. Det resterende varmebehov i bygningen dækkes af et ekstra varmesystem, f.eks. en kondenserende kedel. Derfor er brændselsceller særligt velegnede til bygninger med et lavt behov for rumopvarmning, f.eks. lavenergibygninger eller næsten energineutrale bygninger. I bygninger med et højere rumopvarmningsbehov anvendes hybride brændselscelleopvarmningssystemer, der består af en brændselscelle og en kondenserende kedel til dækning af spidsvarmebehov.

Stationære brændselsceller i effektområdet op til 10 kWe er normalt PEM- eller SO-brændselsceller. Det typiske kraftvarmeproduktionsområde for huse og lejlighedsbygninger er 0,7 til 5 kWe. Hvis brændselscellesystemerne drives med naturgas som brændstof, kan en eksisterende naturgasinfrastruktur anvendes. Brændstoffet skal dog først reformeres. I tilfælde af PEM-brændselsceller foregår reformeringen eksternt. På grund af de højere temperaturer er intern reforming mulig i SO-brændselsceller.

Den største fordel ved brændselsceller i forhold til termiske kraftprocesser er formentlig den direkte elektrokemiske omdannelse under el- og varmeproduktionen og den dermed forbundne højere elektriske effektivitet. I kombineret drift, dvs. elektrisk og termisk, kan brændselsceller opnå virkningsgrader på op til 95 %. Den elektriske effektivitet er op til 45 %. Desuden er brændselscellesystemer kendetegnet ved høje virkningsgrader over alle belastningspunkter, de er støjsvage, har lave vedligeholdelsesomkostninger og fungerer (lokalt) emissionsfrit.