Brændselsceller vs. nettet

For en el-kraftproduktionsstation skærer Mohegan-2 en enestående uimponerende figur. Der er ingen køletårne, der river himlen, ingen skov af transmissionstårne, ingen store turbiner, ingen kæmpe pagajer, der kredser i mægtige floder. Grundlæggende ligner det en meget høj skraldespand.

Men når den er installeret som backup-generator på Connecticut kasinoet Mohegan Sun, som den er opkaldt efter, vil den blidt brummende Mohegan-2 give en ydeevne, som ethvert konventionelt generatoranlæg ville være hårdt presset til at matche: det vil hente energi fra brændstof uden at forbrænde det, der producerer 200 kilowatt elektricitet, brugbar varme og vand af en renhed, som ingen bjergkilde kunne matche, mens den kun producerede en beskeden mængde kuldioxid. Det mest imponerende af alt er, at det med tiden meget vel kan gøre alt dette næsten lige så billigt som - og mere pålideligt end konventionelle kraftværker.

Denne historie var en del af vores januarudgave fra 2002

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mohegan-2, sammen med et væld af lignende brint-drevne kraftværker, der nu hopper fra lange forsknings- og udviklingsindsatser ind i den kommercielle arena, kunne indvarsle brændselscellens tidsalder. Brændselsceller, som elektrokemisk vrider energi ud af brint, er lige så støjsvage, rene og mekanisk enkle som et batteri, men lige så nemme at tanke som en forbrændingsmotor. Brændselsceller, der længe er blevet drevet af mange som den uundgåelige efterfølger til gasslugende, forureningsudsugende bilmotorer, har altid været hæmmet af høje produktionsomkostninger. Men et voksende antal virksomheder er overbeviste om, at de nu er på nippet til at bringe priserne på brændselsceller ned til niveauer, hvor de kan konkurrere - hvis ikke med bilmotorer, så med konventionelt el-kraftgeneratorudstyr. Hvis markedet for sådanne enheder tager fart, kan den succes meget vel sive ned til fremstillingen af ​​andre massemarkedsbrændselsceller til boliger og endda individuelle apparater. Den resulterende brintøkonomi, hvor naturens mest udbredte stof erstatter fossile brændstoffer som den foretrukne el-eliksir, ville i sidste ende være en af ​​markant øget effektivitet og dramatisk renere luft.

Ikke at et kommende brintdynasti på nogen måde er en sikker ting. Udover et væld af tekniske knæk, der mangler at blive løst, er der også infrastrukturmæssige udfordringer, såsom hvordan man gør rent brint tilgængeligt for forbrugerne, og hvor man får serviceret brændselsceller. Der er endda grundlæggende spørgsmål om brændselscellers markedspotentiale - nemlig vil offentligheden være villig til at dumpe velkendte teknologier til fordel for brændselsceller, der sandsynligvis vil have en prispræmie? Mange eksperter tror, ​​det vil. Efter mange års virkelig intens forskning ser vi ingen vejspærringer, som vi ikke ved, hvordan vi skal komme uden om, for at konvertere vores energisystemer til brændselsceller i stor skala, siger Kenneth Stroh, der leder brændselscelleforskningsindsatsen ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico. Vi har stadig forbedringer at lave, men hvis vi kan få dem, vil dette være en begivenhed, der ændrer spillet.

Strøm til protonerne

Drømmen om en brintøkonomi er en langvarig drøm. Brændselsceller har eksisteret siden 1839, hvor den britiske fysiker William Robert Grove byggede en enhed, der kunne vende elektrolyse, som de fleste af os husker fra ungdomsgymnasiets kemi som processen med at spalte vandmolekyler i deres bestanddele af brint- og oxygenatomer ved blot at sende en mild elektrisk strøm gennem vand.

I en brændselscelle kombineres brint og ilt for at producere vand og elektricitet. Kernekomponenten i de fleste brændselsceller i dag er en katalysatorbelagt elektrolyt, der er klemt mellem to ledende plader. Brint kommer ind i en af ​​pladerne, og ilt fra luften kommer ind i den anden; brinten skubber derefter gennem elektrolytten for at komme til ilten. Undervejs får katalysatoren brintatomerne til at opgive deres enlige elektroner, som blokeres af elektrolytten, hvilket efterlader en pulje af forladte elektroner i den første plade, mens brintionerne migrerer igennem til den anden plade. Tilslutning af en ledning mellem de to plader resulterer i en elektrisk strøm, da elektronerne strømmer gennem ledningen for at forbinde igen med brint-ionerne, hvorefter de rekonstituerede brintatomer kombineres med oxygenatomer for at skabe vand. Strømmen vil fortsætte, så længe frisk brint føres ind i den første plade. For at opnå høj effekt kan sæt plader stables sammen.

Billig olie og økonomierne ved den masseproducerede forbrændingsmotor konspirerede i godt et århundrede for at holde brændselsceller ude af syne og sind. Men i 1970'erne inspirerede bekymringer om luftforurening og pålideligheden af ​​olieforsyningen fornyet interesse for teknologien. Fordi brændselscelleprocesser skaleres op og ned uden tab i effektivitet, spænder produktudviklingen i dag over hele kortet. Motorola, for eksempel, ønsker at sætte brændselsceller på chips, der kan drive mobiltelefoner, der tager fyldepen-patron-lignende brintgenfyldninger (se En brændselscelle i din telefon , BØRN november 2001) . Andre søger at bruge dem til at drive el-kraftværker, der er store nok til at opfylde behovene i en lille by. Den føderale regering har brugt omkring 90 millioner dollars om året på brændselscelleforskning (selvom finansieringen af ​​alle alternative energiprojekter forventes at skrumpe under præsident Bush).

Men den virkelige opmærksomhed i brændselscelleforskningen har været fokuseret på biler. Stillet over for det altid tilstedeværende pres for at sænke forurenende emissioner og de naturlige begrænsninger af forbrændingsmotoren, har bilproducenter tilsammen hældt over 2 milliarder dollars i brændselscelleforskning og -udvikling - både internt og til støtte for joint ventures såsom DaimlerChryslers samarbejde med brændstof celleproducent Ballard Power Systems, Burnaby, British Columbia (se Fyld 'er op med brint, BØRN november/december 2000) . Men nutidens allerbedste brændselsceller, selvom de brænder renere, kommer stadig ikke inden for dytteafstand fra Detroits dårligst ydende motorer, når det kommer til at få god kraft ud af en letvægts, billig, understøttende pakke. Og desuden kan forbrændingsmotoren være den mest forankrede teknologi i tilværelsen, værktøjet og ombygget over halvandet århundrede for at nå grænserne for ydeevne og pålidelighed, fremstillet i enorme mængder og understøttet af en allestedsnærværende optanknings- og reparationsinfrastruktur. Da ingen kommer til at producere masser af brændselsceller uden først at etablere et stort marked, og da bilindustrien mangler det umiddelbare incitament til at perfektionere teknologien, står jagten efter bilbrændselsceller over for en catch-22. Folk bliver helt begejstrede for brintøkonomien, siger Joel Swisher, konsulent hos Rocky Mountain Institute i Snowmass, CO. Men når det kommer til at finde ud af, hvordan man kommer herfra til der, går tankerne i stå.

I løbet af de sidste to år er brændselscelleproducenter blevet overbevist om, at de har set en rute omkring dette dilemma. Deres grundlæggende tankegang er nu, at den bedste måde at knække bilmarkedet på er først at bygge den nødvendige brændselscelleproduktionsinfrastruktur og stordriftsfordele ved at sælge enhederne på et mindre, men mindre modstandsdygtigt marked. Det marked, siger en voksende konsensus blandt eksperter og virksomheder, er el-kraftproduktion: Selvom brændselsceller koster omkring 10 gange så meget at fremstille som en typisk bilmotor, er de nu kun omkring dobbelt så dyre som sammenlignelige fossile brændselskraftgeneratorer . R&D og storstilede investeringer har været på bilsiden, siger Los Alamos' Stroh. Men det er nok rigtigt, at de første produkter vil være på elproduktionssiden.

Mange aktører inden for brændselscellefremstilling har i det mindste delvist flyttet deres opmærksomhed fra bilarenaen til elproduktionsmarkedet. Blandt dem: Ballard, der nu arbejder på at bringe enheder ud til boliger og bærbare applikationer; H Power i Clifton, NJ, som forbereder en 4,5 kilowatt enhed; og Plug Power i Latham, NY, et General Electric-støttet firma, som vil begynde at sende GE HomeGen 7000 i år. Selv General Motors har annonceret planer om at bringe et brændselscelle-kraftproduktionsprodukt ud.

En virksomhed, der uden tvivl har et forspring i denne pludselig glamourøse underbranche, er International Fuel Cells i South Windsor, CT. Ikke alene har virksomheden længe udviklet brændselsceller rettet mod energiproduktion, men har faktisk solgt dem i næsten 40 år. Tilbage i 1960'erne leverede virksomheden de tre brændselsceller, der blev brugt i Apollo-rumfartøjer til at generere elektricitet, og senere gjorde det det samme til rumfærgerne. Selvom disse brændselsceller aldrig har haft nogen kommerciel anvendelse - de er afhængige af dyre forgyldte komponenter, for én ting - International Fuel Cells udnyttede sin erfaring med dem til at designe en enhed kaldet PC25, en enhed, der genererer 200 kilowatt strøm, nok at imødekomme behovene i en mellemstor kontorbygning. I løbet af de sidste seks år har virksomheden solgt mere end 220 PC25'er i 17 lande til en række forskellige virksomheder, skoler og offentlige myndigheder, der ønskede at erstatte, supplere eller sikkerhedskopiere elektricitet fra lokale forsyningsselskaber.

Kernekomponenten i PC25 har det sandwich-lignende design, der findes i de fleste brændselsceller. Ydersiden af ​​sandwichen er sammensat af to ledende plader fyldt med kanaler til at føre gasser ind og ud. Mellem pladerne er en elektrolyt, der er effektiv til at lede protoner; elektrolytten er omgivet af en platinbaseret katalysator.

Elektricitetsproduktionsprocessen i PC25 begynder, når naturgas ledes gennem en standard gasforsyningsforbindelse ind i enhedens brændstofreformer, som i det væsentlige er et minikemisk anlæg, der anvender en lille række varmebaserede processer til at omdanne naturgas, metan eller endda benzin til brint, med kuldioxid tilovers. Efter omdannelsen trækkes brintgas gennem kanalerne på en af ​​pladerne og i kontakt med den katalysatorbelagte elektrolyt, hvor katalysatoren fjerner elektronerne fra brintatomerne.

Efter at elektronerne når den anden plade og forbindes igen med protonerne, kombineres de rekonstituerede brintatomer med oxygenatomer i luften for at skabe vand, hjulpet videre af katalysatoren. Noget af vandet absorberes af elektrolytten, som ikke virker, hvis det tørrer ud; resten af ​​vandet ledes til en tank, hvor det kan drænes af. Hver sandwich eller celle i PC25 afgiver mindre end en kilowatt strøm; for at opnå sit fulde output på 200 kilowatt, bruger en PC25 en stak på 272 af disse celler.

Når den bruges som en forsyningsstrøm backup, forbliver PC25 typisk i konstant drift, idet den trækker elektrisk strøm ud, der ledes ind i forsyningsselskabets elnet (hvilket PC25's ejer normalt modtager kredit for); hvis strømforsyningen falmer eller afbrydes, omdirigerer en elektrisk kontakt PC25'ens output fra nettet til den lokale facilitet på en brøkdel af et sekund, og holder anlægget flush med strøm.

Hvorfor skulle nogen ønske at skifte fra konventionelle elektriske strømkilder til en brændselscelle som PC25? Man kan antage, at den største fordel ved en brændselscelle er, at den eliminerer behovet for fossilt brændstof, der i øjeblikket er kilden til omkring to tredjedele af amerikansk elektrisk energi. I betragtning af at brint tegner sig for omkring to tredjedele af alle de atomer, der udgør vores planet, lyder det næsten for godt til at være sandt at kunne udnytte det som en energikilde.

Det er. Problemet er enkelt: brint kan være overalt omkring os, men det er kemisk låst inde i vand og andre molekyler. Som det viser sig, er den eneste praktiske kilde til brint, der er tilgængelig nu, den samme, som vi længe har stolet på: brintrige kulbrinter, hvilket praktisk talt betyder fossile brændstoffer. For at udvinde brint skal selve brændstofreformatorerne være drevet.

Det er klart, at det at skulle køre brændselsceller på fossile brændstoffer - og varme og afkøle dem - undergraver nogle af deres fordele i forhold til konventionelle kraftværker, såsom dem, der bruger naturgasbrændende turbiner eller kulfyrede ovne. Men det eliminerer ikke den fordel. Selv når de er behæftet med naturgasforsynede reformatorer, producerer brændselsceller ingen andre emissioner end kuldioxid. For at være sikker er kuldioxid en drivhusgas; men fordi brændselsceller er mere effektive end brændstofbrændende anlæg, producerer de langt mindre af det.

Denne effektivitet er nøglen til at sælge brændselscellekraftgeneratorer. PC25 arbejder med en effektivitet på omkring 40 procent, hvilket betyder, at næsten halvdelen af ​​den energi, den tager, omdannes til elektricitet, mens resten går tabt som varme. Til sammenligning kører de 250 kilowatt-gasturbiner, som organisationer normalt køber som alternativer eller supplementer til forsyningskraft, med omkring 30 procents effektivitet (se magt til folket, BØRN maj 2001) . PC25's effektivitetsfordel oversættes til en besparelse på omkring 30 procent i brændstofomkostninger. Kanten udvides for kunder, der kan gøre brug af en brændselscelles spildvarme, hvoraf meget let opfanges fra den rene luft og vand, der fjernes fra cellen; varmen fra turbiner er til sammenligning normalt bundet op på skadelige emissioner.

Desværre er denne kant for de fleste strømbrugere udslettet af brændselscellers højere købspris. En typisk PC25-opsætning bestående af en 800-kilowatt bank på fire enheder koster næsten 4 millioner dollars sammenlignet med mindre end 2 millioner dollars for en sammenlignelig gasturbinegenerator. Men James Bolch, International Fuel Cells' produktionschef, mener, at han kan få produktionsomkostningerne for virksomhedens næste generation af brændselsceller op på konkurrencedygtige niveauer. For det første opgiver virksomheden sit nuværende celledesign med sin fosforsyreelektrolyt og flytter til en celle, hvis elektrolyt er en tynd plastmembran - som er ved at blive en industristandard, fordi den er billigere at producere. Derudover udforsker virksomheden nye teknikker til at anvende den platinbaserede katalysator på $20 pr. gram i tyndere lag uden at ofre ydeevnen, såvel som pladedesign, der øger effektiviteten ved mere effektivt at føre brint til membranen og kanalisere restvand væk.

Selvfølgelig skal International Fuel Cells først øge volumen, før de kan begynde at udnytte disse muligheder. For at gøre det har virksomheden fokuseret på potentielle kunder, der kan være villige til at betale en betydelig prispræmie for at fange brændselscellens fordele. Sådanne kunder inkluderer dem, der kræver en særlig pålidelig strømkilde - eller blot mere strøm, end der kan fås fra forsyningsnettet - såvel som varme, og som ikke ønsker at leve med emissionerne fra en gasturbine. Der er applikationer, hvor det er en god handel at betale $4.500 pr. kilowatt kapacitet, insisterer Guy Hatch, direktør for boligforretning i virksomheden.

Som det viser sig, er der masser af sådanne potentielle kunder. Datacentre, for eksempel, kræver en konstant, stabil kilde til elektricitet og bruger typisk en lokal generator til enten at udjævne strøm fra nettet eller sikkerhedskopiere det i tilfælde af en udfald. First National Bank of Omaha i Nebraska installerede et sæt PC25'ere efter et udfald bragte deres kreditkortverifikationsnetværk ned, hvilket kun kostede en af ​​dets kunder - The Gap - $6 millioner i salg. Og det er ikke kun computere, der har brug for pålidelig strøm: U.S. Postal Services hovedanlæg i Anchorage, AK, besluttede at gå ud af nettet til fordel for PC25'ere, da gentagne brownouts, der varede så lidt som en brøkdel af et sekund, fik dets sorteringsudstyr til at stoppe. Ved indvielsesceremonien for det nye udstyr efterlod et blackout det omkringliggende område mørkt, mens anlægget forblev fuldt operationelt; de fremmødte dignitærer skulle forsikre observatører, at det ikke var en planlagt demonstration. Selv steder i storbyernes hjerter kan finde strømforsyning utilgængelig, fordi eksisterende kabler næsten har udnyttet deres evne til at bringe mere strøm ind. New York er en sådan by; Strømmangel fik Central Parks politistation til at installere en PC25 i stedet for at skæmme de bukoliske omgivelser med klynken og dampene fra en traditionel gasturbine. Cond Nast-bygningen på Times Square driver en PC25 på fjerde sal.

Evnen til at sætte den brændselscellebaserede strømgenerators spildvarme i gang er den faktor, der får tallene til at fungere for nogle købere. Udover at være med til at opvarme bygninger om vinteren, kan varmen i varmere måneder drive en type klimaanlæg kaldet en absorptionskøler. First National anslår en årlig besparelse på $200.000 i varmeomkostninger og bruger endda det varme vand, der kommer ud af brændselscellen, til at smelte is og sne på hovedkvarterets plads. En potentiel stor reduktion i boligens varme- og klimaregninger er en af ​​grundene til, at International Fuel Cells, sammen med Ballard, H Power og andre rivaler, mener, at det kan få eksklusive, miljøbevidste husejere til at springe efter enheder, der yder omkring fem kilowatt, og at måske i sidste ende sælges for så lidt som $5.000 eller deromkring, selvom de første enheder sandsynligvis vil gå til fire gange så meget. Vi talte med en husejer, som havde kigget på at bruge 50.000 dollars til solpaneler, siger International Fuel Cells’ Hatch, som synes, at 20.000 dollars for en brændselscelle ikke virker så uhyrlig i den sammenhæng.

Hvor langt kan disse minikraftværker skalere opad? Mindst én virksomhed håber at kunne fremstille brændselscellegeneratorer, der konkurrerer i pris ikke kun med små gasturbinegeneratorer, men med de store generatorer, der anvendes af forsyningsselskaber. FuelCell Energy i Danbury, CT, har undgået de faste elektrolytter, der anvendes af stort set alle andre brændselscelleproducenter, til fordel for et smeltet karbonat. Materialet udfører nogenlunde de samme funktionsledende protoner fra den negativt ladede plade til den positivt ladede, mens det frastøder elektroner. Men det muliggør en enklere proces til at reformere brint, hvilket giver en stor teknisk fordel, når det kommer til masseproduktion. Som følge heraf mener FuelCell, at det kan producere enheder, der giver op til tre megawatt strøm og kører med næsten 80 procent effektivitet. Det er bedre end selv den største centrale elproduktionsstation kan opnå. Derudover kan elektriciteten produceres på den forbrugende virksomheds parkeringsplads, i stedet for at køre på tværs af kilometerlange elledninger, der er dyre at installere og vedligeholde. Forsyningsselskaber kan producere elektricitet billigt, siger Jerry Leitman, CEO for FuelCell Energy. Men det meste af omkostningerne ligger i at distribuere og sende det.

Brint til masserne

Selvom brændselscellegeneratorer bliver mere kraftfulde og effektive, ser de fleste i feltet deres udvikling mere som et middel til at komme på det potentielt enorme marked for brændselscelledrevne biler end som grundlag for næste generations elnet. Med hensyn til grundlæggende teknologi ville overgangen være ret simpel: De samme plade-sandwichede membraner, som driver de elektriske generatorprodukter, kan placeres i mindre, relativt lette stakke, der er i stand til at udsætte de 50 kilowatt eller deromkring, der er nødvendige for at drive en el-motor udstyret bil, mens den passer i et bagagerum eller under et bagsæde. På trods af sin lange interesse for elproduktion, er International Fuel Cells for det første ret åben omkring at bruge feltet som et springbræt til det eftertragtede bilmarked. Transport er naturligvis et attraktivt mål, og elproduktionsapplikationer er en del af vejen dertil, siger produktionschef Bolch. Virksomheden har allerede arbejdet sammen med BMW om at producere en bil, der delvist kører uden for sine brændselsceller, og med Hyundai om at udvikle en helt brændselscelledrevet bil - og det hævder at være i forhandlinger med mindst fire andre store bilproducenter. Det har også indgået aftaler med Thor, en førende producent af shuttlebusser i Nordamerika, og Irisbus, en stor europæisk busproducent.

Kommercielt levedygtige brændselscellebiler forbliver dog mange år væk og kan være årtier tilbage uden et gennembrud i kampen for at få omkostningerne ned. Lige nu, siger Stroh, ville selv masseproduktionsøkonomier ikke tillade brændselsceller at komme tæt på prisen på forbrændingsmotorer, som sælger for omkring $50 pr. hundrede. Alene omkostningerne ved materialer ville gøre dem alt for dyre, siger Stroh.

Måske er det derfor, nogle eksperter mener, at det brændselscellebaserede elproduktions- og bilmarked i sidste ende vil være stærkt sammenflettet med både generatorer og biler, der drives fra de samme kilder. Rocky Mountain Institute's Swisher forestiller sig et scenarie, hvor ansatte på industrianlæg med brændselscellekraftgeneratorer vil fylde deres brændselscellebiler op med brint, mens de er på arbejde - og endda bruge deres parkerede biler som supplerende strømgeneratorer. Evnen til at sammenkoble brændselscelleanlæg ville være en katalysator på markedet, siger han, hvilket i sidste ende fører til lignende applikationer for husejere.

Det ultimative resultat? Ser man længere ude, er det ikke svært at fremtrylle billeder af en fuldgyldig brintøkonomi, hvor brændselsceller driver alt fra bærbare computere til fly og cykler; ja, eksperimentelle versioner af alle tre er allerede under udvikling. Hvad mere er, hvis ethvert hjem, virksomhed og samfund driver strømgenererende brændselsceller, så kan det give mening at forbinde dem alle sammen i et massivt nationalt elnet, måske kontrolleret via internettet, så overskudsenergi hvor som helst kan være spontant overført til de steder, der lider under mangel.

Selvfølgelig, som Stroh påpeger, selv om ingen hindring for en brintøkonomi synes teknisk uoverkommelig, skal utallige mindre stadig overvindes. Men i betragtning af at brint udgør 75 procent af alt kendt stof og er stjernernes brændstof, forsøger universet måske at fortælle os noget.

skjule