Bränsleceller vs. Grid

För en el-kraftverk, skär Mohegan-2 en enastående föga imponerande figur. Det finns inga kyltorn som krattar mot himlen, ingen skog av transmissionstorn, inga stora turbiner, inga gigantiska paddlar som kretsar i mäktiga floder. I grund och botten ser det ut som en väldigt hög soptunna.

Men när den installeras som reservgenerator på Connecticut kasinot Mohegan Sun, efter vilken den är uppkallad, kommer den försiktigt brummande Mohegan-2 att ge en prestanda som vilken konventionell anläggning som helst skulle vara svår att matcha: den kommer att hämta energi från bränsle utan att bränna det, vilket ger 200 kilowatt elektricitet, användbar värme och vatten av en renhet som ingen fjällkälla kunde matcha samtidigt som den bara producerar en blygsam mängd koldioxid. Mest imponerande av allt, med tiden kanske det mycket väl kan göra allt detta nästan lika billigt som och mer tillförlitligt än konventionella kraftverk.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Mohegan-2, tillsammans med en mängd liknande vätgasdrivna kraftverk som nu hoppar från långa forsknings- och utvecklingsinsatser till den kommersiella arenan, skulle kunna inleda bränslecellens tidsålder. Bränsleceller, som elektrokemiskt vrider ut energi ur väte, är lika tysta, rena och mekaniskt enkla som ett batteri men lika lätta att tanka som en förbränningsmotor. Bränsleceller, som länge har blivit utspridda av många som den oundvikliga efterföljaren till gasslukande, föroreningsspridande bilmotorer, har alltid hämmats av höga tillverkningskostnader. Men ett växande antal företag är övertygade om att de nu är på väg att sänka priserna på bränsleceller till nivåer där de kan konkurrera - om inte med bilmotorer, så med konventionell elkraftsgenererande utrustning. Om marknaden för sådana enheter tar fart kan den framgången mycket väl sippra ner till tillverkningen av andra massmarknadsbränsleceller för hem och till och med enskilda apparater. Den resulterande väteekonomin, där naturens mest förekommande ämne ersätter fossila bränslen som det valda elixiret, skulle så småningom bli en av kraftigt ökad effektivitet och dramatiskt renare luft.

Inte för att en kommande vätedynasti på något sätt är en säker sak. Förutom en mängd tekniska knep som återstår att åtgärda, finns det också infrastrukturutmaningar, som hur man gör rent väte tillgängligt för konsumenter och var man kan få bränsleceller servade. Det finns till och med grundläggande frågor om marknadspotentialen för bränsleceller, nämligen, kommer allmänheten att vara villig att dumpa bekant teknik till förmån för bränsleceller som sannolikt kommer att ha en prispremie? Många experter tror att det kommer att göra det. Efter år av riktigt intensiv forskning ser vi inga vägspärrar som vi inte vet hur vi ska komma runt för att konvertera våra energisystem till bränsleceller i stor skala, säger Kenneth Stroh, som leder bränslecellsforskningen vid Los Alamos National Laboratory i New Mexico. Vi har fortfarande förbättringar att göra, men om vi kan få dem kommer detta att bli en omvälvande händelse.

Kraft till protonerna

Drömmen om en väteekonomi är en långvarig dröm. Bränsleceller har funnits sedan 1839, när den brittiske fysikern William Robert Grove byggde en anordning som kunde vända elektrolys, vilket de flesta av oss minns från gymnasiekemin som processen att dela upp vattenmolekyler i sina beståndsdelar väte- och syreatomer genom att bara skicka en mild elektrisk ström genom vatten.

I en bränslecell kombineras väte och syre för att producera vatten och elektricitet. Kärnkomponenten i de flesta bränsleceller idag är en katalysatorbelagd elektrolyt inklämd mellan två ledande plattor. Väte kommer in i en av plattorna, och syre från luften kommer in i den andra; vätet trycker sedan igenom elektrolyten för att komma åt syret. Längs vägen inducerar katalysatorn väteatomerna att ge upp sina ensamma elektroner, som blockeras av elektrolyten, vilket lämnar en pool av övergivna elektroner i den första plattan medan vätejonerna migrerar genom till den andra plattan. Att koppla upp en tråd mellan de två plattorna resulterar i en elektrisk ström, eftersom elektronerna strömmar genom tråden för att länka tillbaka till vätejonerna, vid vilken punkt de rekonstituerade väteatomerna kombineras med syreatomer för att skapa vatten. Strömmen kommer att fortsätta så länge som färskt väte förs in i den första plattan. För att uppnå hög effekt kan uppsättningar av plattor staplas ihop.

Billig olja och ekonomin med den massproducerade förbränningsmotorn konspirerade i över ett sekel för att hålla bränsleceller utom synhåll och sinne. Men på 1970-talet inspirerade oron för luftföroreningar och oljeförsörjningens tillförlitlighet ett nytt intresse för tekniken. Eftersom bränslecellsprocesser skalas upp och ner utan att effektiviteten försämras sträcker sig produktutvecklingen idag över hela kartan. Motorola, till exempel, vill sätta bränsleceller på chip som kan driva mobiltelefoner som fyller reservoarpenna-patron-liknande väte (se En bränslecell i din telefon , BARN november 2001) . Andra försöker använda dem för att driva elkraftverk som är tillräckligt stora för att tillgodose behoven i en liten stad. Den federala regeringen har spenderat omkring 90 miljoner dollar per år på bränslecellsforskning (även om finansieringen för alla alternativa energiprojekt förväntas krympa under president Bush).

Men den verkliga uppmärksamheten inom bränslecellsforskningen har fokuserats på bilar. Inför det ständigt närvarande trycket att sänka förorenande utsläpp och de naturliga begränsningarna av förbränningsmotorn, har biltillverkarna tillsammans satsat över 2 miljarder dollar på forskning och utveckling av bränsleceller – både internt och till stöd för joint ventures som DaimlerChryslers samarbete med bränsle celltillverkaren Ballard Power Systems, Burnaby, British Columbia (se Fyll på med väte, BARN november/december 2000) . Men dagens allra bästa bränsleceller, även om de brinner renare, kommer fortfarande inte inom tutande avstånd från Detroits sämst presterande motorer när det kommer till att få ut bra kraft ur ett lätt, billigt, stödbart paket. Och dessutom kan förbränningsmotorn vara den mest förankrade tekniken i tillvaron, bearbetad och bearbetad över ett och ett halvt sekel för att nå gränserna för prestanda och tillförlitlighet, tillverkad i enorma mängder och stödd av en allestädes närvarande infrastruktur för tankning och reparation. Eftersom ingen kommer att producera massor av bränsleceller utan att först ha etablerat en stor marknad, och eftersom bilindustrin saknar det omedelbara incitamentet att fullända tekniken, ställs jakten på bränsleceller för bilar inför en catch-22. Människor blir helt entusiastiska över väteekonomin, säger Joel Swisher, konsult på Rocky Mountain Institute i Snowmass, CO. Men när det kommer till att ta reda på hur man tar sig härifrån till dit, stannar tänkandet.

Under de senaste två åren har bränslecellstillverkarna blivit övertygade om att de har sett en väg runt detta dilemma. Deras grundläggande tankar nu är att det bästa sättet att knäcka bilmarknaden är att först bygga den nödvändiga infrastrukturen för produktion av bränsleceller och skalfördelar genom att sälja enheterna på en mindre men mindre utmanare-resistent marknad. Den marknaden, säger en växande konsensus bland experter och företag, är elproduktion: även om bränsleceller kostar ungefär 10 gånger så mycket att tillverka som en typisk bilmotor, är de nu bara ungefär dubbelt så dyra som jämförbara kraftgeneratorer för fossila bränslen . FoU och storskaliga investeringar har varit på bilsidan, säger Los Alamos Stroh. Men det är förmodligen sant att de första produkterna kommer att finnas på kraftgenereringssidan.

Många aktörer inom bränslecellstillverkningen har åtminstone delvis flyttat sin uppmärksamhet från bilarenan till kraftgenereringsmarknaden. Bland dem: Ballard, som nu arbetar med att ta fram enheter för bostäder och bärbara applikationer; H Power i Clifton, NJ, som förbereder en enhet på 4,5 kilowatt; och Plug Power i Latham, NY, ett företag med stöd av General Electric som kommer att börja leverera GE HomeGen 7000 i år. Till och med General Motors har tillkännagett planer på att ta fram en bränslecellskraftgenererande produkt.

Ett företag som utan tvekan har ett försprång i denna plötsligt glamorösa underindustri är International Fuel Cells i South Windsor, CT. Företaget har inte bara länge utvecklat bränsleceller för kraftgenerering, det har faktiskt sålt dem i nästan 40 år. Redan på 1960-talet levererade företaget de tre bränslecellerna som användes i rymdfarkosten Apollo för att generera elektricitet, och gjorde senare samma sak för rymdfärjorna. Även om dessa bränsleceller aldrig har haft någon kommersiell tillämpning - de är beroende av dyra guldpläterade komponenter, för en sak - International Fuel Cells utnyttjade sin erfarenhet med dem för att designa en enhet som heter PC25, en enhet som genererar 200 kilowatt kraft, tillräckligt för att möta behoven hos en medelstor kontorsbyggnad. Under de senaste sex åren har företaget sålt mer än 220 PC25 i 17 länder till en mängd olika företag, skolor och statliga myndigheter som velat ersätta, komplettera eller säkerhetskopiera el från lokala elbolag.

Kärnkomponenten i PC25 har den sandwichliknande design som finns i de flesta bränsleceller. Smörgåsens utsida är sammansatt av två ledande plattor fyllda med kanaler för att leda gaser in och ut. Mellan plattorna finns en elektrolyt som är effektiv för att leda protoner; elektrolyten omges av en platinabaserad katalysator.

Elproduktionsprocessen i PC25 börjar när naturgas leds genom en vanlig gasanslutning till enhetens bränslereformator, som i huvudsak är en minikemisk anläggning som använder en liten serie värmebaserade processer för att omvandla naturgas, metan eller t.o.m. bensin till väte, med koldioxid över. Efter omvandlingen dras vätgas genom kanalerna på en av plattorna och i kontakt med den katalysatorbelagda elektrolyten, där katalysatorn avlägsnar elektronerna från väteatomerna.

Efter att elektronerna når den andra plattan och länkar tillbaka till protonerna, kombineras de rekonstituerade väteatomerna med syreatomer i luften för att skapa vatten, med hjälp av katalysatorn. En del av vattnet absorberas av elektrolyten, vilket inte fungerar om det torkar ut; resten av vattnet leds till en tank där det kan tömmas av. Varje sandwich, eller cell, i PC25 avger mindre än en kilowatt effekt; för att uppnå sin fulla effekt på 200 kilowatt använder en PC25 en stack på 272 av dessa celler.

När den används som reservkraft för strömförsörjning, förblir PC25 vanligtvis i konstant drift och tar bort ström som leds in i bolagets elnät (som PC25:s ägare normalt får kredit för); om strömförsörjningen bleknar eller avbryts, omdirigerar en elektrisk omkopplare PC25:s utsignal från nätet till den lokala anläggningen på en bråkdel av en sekund, vilket håller anläggningen jämn med ström.

Varför skulle någon vilja byta från konventionella elektriska kraftkällor till en bränslecell som PC25? Man kan anta att den största fördelen med en bränslecell är att den eliminerar behovet av fossilt bränsle, för närvarande källan till ungefär två tredjedelar av USA:s elektriska energi. Med tanke på att väte står för ungefär två tredjedelar av alla atomer som utgör vår planet, låter det nästan för bra för att vara sant att kunna utnyttja det som en energikälla.

Det är. Problemet är enkelt: väte kan finnas överallt omkring oss, men det är kemiskt låst i vatten och andra molekyler. Som det visar sig är den enda praktiska källan till väte som finns tillgänglig nu samma som vi länge har förlitat oss på: väterika kolväten, vilket praktiskt taget betyder fossila bränslen. För att utvinna väte måste själva bränslereformatorerna drivas.

Att behöva driva bränsleceller på fossila bränslen - och värma och kyla dem - underminerar naturligtvis en del av deras fördelar jämfört med konventionella kraftverk som de som använder naturgaseldade turbiner eller koleldade ugnar. Men det eliminerar inte den fördelen. Även när de är belastade med naturgasmatade reformatorer, producerar bränsleceller inga utsläpp annat än koldioxid. För att vara säker, koldioxid är en växthusgas; men eftersom bränsleceller är effektivare än bränsleförbränningsanläggningar producerar de mycket mindre av det.

Den effektiviteten är nyckeln till att sälja bränslecellskraftgeneratorer. PC25 arbetar med en verkningsgrad på cirka 40 procent, vilket innebär att nästan hälften av energin den tar in omvandlas till el, medan resten går förlorad som värme. Som jämförelse kan nämnas att de 250 kilowatts gasturbiner som organisationer normalt köper som alternativ eller komplement till elkraft arbetar med cirka 30 procents effektivitet (se Power to the People, BARN maj 2001) . PC25:s effektivitetsfördel översätts till en besparing på cirka 30 procent i bränslekostnader. Kanten vidgas för kunder som kan utnyttja en bränslecells spillvärme, varav mycket lätt fångas upp från den rena luften och vattnet som tas bort från cellen; värmen från turbiner är i jämförelse vanligtvis bunden till skadliga utsläpp.

Tyvärr, för de flesta energianvändare utplånas denna fördel av bränslecellers högre inköpspris. En typisk PC25-installation som består av en 800 kilowatts bank med fyra enheter kostar nästan 4 miljoner dollar, jämfört med mindre än 2 miljoner dollar för en jämförbar gasturbingenerator. Men James Bolch, International Fuel Cells tillverkningschef, tror att han kan få produktionskostnaderna för företagets nästa generation av bränsleceller till konkurrenskraftiga nivåer. Till att börja med överger företaget sin nuvarande celldesign, med sin fosforsyraelektrolyt, och flyttar till en cell vars elektrolyt är ett tunt plastmembran - vilket håller på att bli en industristandard eftersom det är billigare att producera. Dessutom undersöker företaget nya tekniker för att applicera den platinabaserade katalysatorn på $20 per gram i tunnare skikt utan att offra prestanda, såväl som plattdesigner som ökar effektiviteten genom att mer effektivt leda väte till membranet och kanalisera restvatten.

Naturligtvis måste International Fuel Cells först öka volymen innan de kan börja dra nytta av dessa möjligheter. För att göra det har företaget fokuserat på potentiella kunder som kan vara villiga att betala en betydande prispremie för att fånga bränslecellens fördelar. Sådana kunder inkluderar de som kräver en särskilt pålitlig kraftkälla - eller helt enkelt mer kraft än vad som kan fås från elnätet - såväl som värme, och som inte vill leva med utsläppen från en gasturbin. Det finns applikationer där det är en bra affär att betala $4 500 per kilowatt kapacitet, insisterar Guy Hatch, chef för bostadsaffärer på företaget.

Det visar sig att det finns många sådana potentiella kunder. Datacenter, till exempel, kräver en konstant, stadig elkälla och använder vanligtvis en lokal generator för att antingen jämna ut ström från nätet eller säkerhetskopiera den i händelse av ett avbrott. First National Bank of Omaha i Nebraska installerade en uppsättning PC25 efter att ett avbrott gjorde att dess nätverk för kreditkortsverifiering sänktes, vilket bara kostade en av dess kunder - The Gap - 6 miljoner dollar i försäljning. Och det är inte bara datorer som behöver tillförlitlig ström: U.S. Postal Services huvudanläggning i Anchorage, AK, bestämde sig för att gå utanför nätet till förmån för PC25s när upprepade brownouts som varade så lite som en bråkdel av en sekund fick dess sorteringsutrustning att fastna. Vid invigningsceremonin för den nya utrustningen lämnade en blackout det omgivande området mörkt medan anläggningen förblev fullt fungerande; de närvarande dignitärerna var tvungna att försäkra observatörer att det inte var en planerad demonstration. Till och med platser i storstädernas hjärtan kan hitta elkraft otillgänglig eftersom befintliga kablar nästan har maxat sin förmåga att få in mer ström. New York är en sådan stad; Strömbrist fick polisstationen i Central Park att installera en PC25 i stället för att fördärva den bukoliska miljön med gnället och ångorna från en traditionell gasturbin. Cond Nast-byggnaden på Times Square driver en PC25 på fjärde våningen.

Möjligheten att få den bränslecellsbaserade kraftgeneratorns spillvärme att fungera är den faktor som gör att siffrorna fungerar för vissa köpare. Förutom att hjälpa till att värma upp byggnader på vintern kan värmen under varmare månader driva en typ av luftkonditionering som kallas absorptionskylare. First National uppskattar en årlig besparing på $200 000 i uppvärmningskostnader och använder till och med det varma vattnet som kommer ut ur bränslecellen för att smälta is och snö på huvudkontorets torg. En potentiell stor minskning av räkningarna för uppvärmning och luftkonditionering i hemmet är en anledning till att International Fuel Cells, tillsammans med Ballard, H Power och andra rivaler, tror att det kan få exklusiva, miljömedvetna husägare att söka enheter som avger cirka fem kilowatt och att kan så småningom sälja för så lite som $5 000 eller så, även om de första enheterna sannolikt kommer att kosta fyra gånger så mycket. Vi pratade med en husägare som hade tittat på att spendera 50 000 dollar för solpaneler, säger International Fuel Cells’ Hatch, som tycker att 20 000 dollar för en bränslecell inte verkar så upprörande i det sammanhanget.

Hur långt kan dessa minikraftverk skala uppåt? Åtminstone ett företag hoppas kunna skapa bränslecellsgeneratorer som konkurrerar i pris inte bara med små gasturbingeneratorer utan med de stora generatorer som används av allmännyttiga företag. FuelCell Energy i Danbury, CT, har undvikit de fasta elektrolyterna som används av praktiskt taget alla andra bränslecellstillverkare till förmån för ett smält karbonat. Materialet utför ungefär samma funktionsledande protoner från den negativt laddade plattan till den positivt laddade samtidigt som det avvisar elektroner. Men det möjliggör en enklare process för att reformera väte, vilket ger en stor teknisk fördel när det kommer till massproduktion. Som ett resultat tror FuelCell att de kan producera enheter som ger upp till tre megawatt effekt och fungerar med nästan 80 procents effektivitet. Det är bättre än vad även den största centrala kraftverken kan uppnå. Dessutom kan elen produceras på det förbrukande företagets parkeringsplats, istället för att färdas över miles av kraftledningar som är kostsamma att installera och underhålla. Verktyg kan producera el billigt, säger Jerry Leitman, vd för FuelCell Energy. Men det mesta av kostnaden ligger i att distribuera och överföra det.

Väte för massorna

Även när bränslecellsgeneratorer blir mer kraftfulla och effektiva ser de flesta inom området deras utveckling mer som ett sätt att ta sig till den potentiellt enorma marknaden för bränslecellsdrivna bilar än som en grund för nästa generations elnät. När det gäller grundläggande teknik skulle övergången vara ganska enkel: samma membran med plattan som driver de elektriska generatorprodukterna kan placeras i mindre, relativt lätta staplar som klarar av att ta ut de 50 kilowatt eller så som behövs för att driva en elmotorförsedd bil med plats i bagageutrymmet eller under ett baksäte. Trots sitt långa intresse för elproduktion är International Fuel Cells, för en, ganska öppna med att använda fältet som ett språngbräde till den eftertraktade bilmarknaden. Transport är uppenbarligen ett attraktivt mål, och kraftgenereringsapplikationer är en del av vägen dit, säger produktionschef Bolch. Företaget har redan arbetat med BMW för att producera en bil som delvis fungerar utanför sina bränsleceller, och med Hyundai för att utveckla en helt bränslecellsdriven bil - och det säger sig vara i samtal med minst fyra andra stora biltillverkare. Man har också slutit avtal med Thor, en ledande tillverkare av skyttelbussar i Nordamerika, och Irisbus, en stor europeisk busstillverkare.

Kommersiellt livskraftiga bränslecellsbilar är dock kvar många år bort och kan vara kvar i decennier utan ett genombrott i kampen för att få ner kostnaderna. Just nu, säger Stroh, skulle inte ens massproduktionsekonomier tillåta bränsleceller att komma nära priset på förbränningsmotorer, som säljs för cirka 50 dollar per kilowatt kraftgenererande kapacitet som slår bränsleceller med en faktor på ca. hundra. Bara kostnaden för material skulle göra dem alldeles för dyra, säger Stroh.

Kanske är det därför som vissa experter tror att den bränslecellsbaserade kraftgenererings- och bilmarknaderna i slutändan kommer att vara kraftigt sammanflätade, med både generatorer och bilar som drivs från samma källor. Rocky Mountain Institutes Swisher föreställer sig ett scenario där anställda på industrianläggningar med bränslecellsgeneratorer kommer att fylla sina bränslecellsbilar med väte medan de är på jobbet - och till och med använda sina parkerade bilar som extra kraftgeneratorer. Möjligheten att sammankoppla bränslecellsanläggningar skulle vara en katalysator på marknaden, säger han, vilket så småningom leder till liknande tillämpningar för husägare.

Det ultimata resultatet? Ser man längre ut är det inte svårt att trolla fram bilder av en fullfjädrad väteekonomi, där bränsleceller driver allt från bärbara datorer till flygplan och cyklar; faktiskt, experimentella versioner av alla tre är redan under utveckling. Vad mer är, om varje hem, företag och samhälle driver kraftgenererande bränsleceller, då kan det vara vettigt att länka dem alla tillsammans i ett massivt nationellt elnät, kanske kontrollerat via Internet, så att överskottsenergi var som helst kan komma spontant. överföras till de platser som lider brist.

Naturligtvis, som Stroh påpekar, även om inget hinder för en väteekonomi verkar tekniskt oöverstigligt, måste otaliga mindre fortfarande övervinnas. Men med tanke på att väte utgör 75 procent av all känd materia och är stjärnornas bränsle, kanske universum försöker berätta något för oss.

Dölj