Vätgas som energibärare : en översikt av vätgasanvändning i bränsleceller

Abstract

I takt med att de fossila bränslereserverna förbrukas och småningom beräknas ta slut, ökar behovet av energi. Samtidigt måste utsläppen av växthusgaser också minskas för att bromsa klimatuppvärmningen. Det innebär att vi i framtiden måste producera elektricitet av råvaror som ger mindre utsläpp och också att verkningsgraden för elproduktionen höjs.

Ett alternativ som på många håll har förutspåtts ersätta de fossila bränslena är vätgas. En av de största fördelarna med vätgas är dess höga energidensitet: upp till tre gånger högre än bensin och fyra till fem gånger högre än stenkol. Den största nackdelen med vätgas är att vätet måste frigöras från olika kemiska föreningar, t.ex. kolväten eller vatten, vilket kräver en insats av yttre arbete. Tillverkning och lagring utvecklas dock ständigt mot effektivare och lättare metoder.

En bra metod för produktion av elektricitet med hög verkningsgrad och små utsläpp är bränsleceller. Om vätgas används som bränsle är det enda utsläppet vatten och en del spillvärme, som också kan utnyttjas för uppvärmning.

Det här examensarbetet behandlar vätgas som bränsle, tillverknings- och lagringsmetoder samt olika användningsmöjligheter. Den andra viktiga delen i arbetet behandlar bränsleceller, deras historia, uppbyggnad av bränslecellstackar, samt olika typer av bränsleceller och deras egenskaper.

Samaan aikaan kun fossiilisten polttoaineiden varat ovat ehtymässä, meidän energiantarpeemme jatkaa kasvamistaan. Kasvihuonepäästöjen määrää on vähennettävä, jotta ilmaston lämpenemistä pystyttäisiin hidastamaan. Tämä tarkoittaa että tulevaisuuden sähköntuotannon on perustuttava raaka-aineisiin, jotka tuottavat vähemmän päästöjä, samalla kun tuotannon hyötysuhdetta on nostettava.

Yksi ennustetuista fossiilisten polttoaineiden korvaajista on vetykaasu, jonka suurin etu on korkea energiatiheys, bensiiniin verrattuna kolminkertainen ja kivihiileen verrattuna jopa viisinkertainen. Vetykaasun suurin ongelma on se, että vety on ensin erotettava erilaisista kemiallisista yhdisteistä, kuten hiilivedyistä tai vedestä, ja tämä vaatii jonkinlaista energian käyttöä. Vedyn tuotanto ja säilöntä kehittyy kuitenkin koko ajan tehokkaampaan ja helppokäyttöisempään suuntaan.

Hyväksi todettu sähkön tuotantotapa on polttokennot, joissa yhdistyvät sekä korkea hyötysuhde että pienet päästöt. Kun vetyä käytetään polttoaineena, on päästöinä vettä sekä jonkin verran hukkalämpöä, joka myös voidaan ottaa hyötykäyttöön.

Tämä opinnäytetyö käsittelee vetykaasua polttoaineena, tuotannosta varastointiin ja eri käyttövaihtoehtoihin. Tärkeä osa opinnäytetyötä on myös polttokennojen esittely, joka käsittelee polttokennojen historiaa, kennostojen rakennetta, eri polttokennotyyppejä ja niiden ominaisuuksia.

The fossil fuel resources are constantly depleted and getting more and more limited, and the demand for energy is increasing. At the same time we have to reduce our emissions of greenhouse gases to slow down the climate change. This means that in future energy must be produced from renewable raw materials and also with a higher efficiency than today.

One of the predicted replacing fuels is hydrogen gas, mainly because of its high heating value, almost three times higher than gasoline and up to five times higher than coal. The biggest disadvantage of hydrogen gas is the fact that it has to be extracted from various chemical compounds, such as hydrocarbons and water, which always requires some amounts of energy. The production and storage of hydrogen are, however, constantly developed towards more efficient and easier methods.

Fuel cells are a good way of combining high efficiency and low emission production of energy, If water is used as fuel in the fuel cell the only emission from the reaction is water and some waste heat, which also can be used e.g. for heating.

This thesis discusses hydrogen as a fuel, from different methods of production and storage to ways of usage. The other main part of this thesis discusses fuel cells, their history, construction, different types of fuel cells and their properties.