Kapittel 10 - mobile energikilder

 

10 A Kjemiske reaksjoner – når nye stoffer blir dannet

 

Reaksjonen mellom hydrogengass og oksygengass

Hydrogengass +        oksygengass  -->   vann + energi

2H₂                +        O₂                 -->   2H₂O

Det er mer energi til sammen i utgangsstoffene enn i produktet. Den energien som er til overs (energiforskjellen), merker vi som et smell, lysglimt og varme.

 

Atomer som binder seg på andre måter

Kjemisk reaksjon = i en kjemisk reaksjon skjer det en forandring der det blir dannet nye stoffer med andre egenskaper enn de stoffene vi startet med. Forandringen kommer av at atomene binder seg sammen på nye måter. Energi blir frigjort hvis den nye måten atomene er ordnet på inneholder mindre energi.

 

Reaksjonslikninger – like mange på begge sider

Balansert reaksjonslikning – i en balansert reaksjonslikning er antallet atomer av de forskjellige grunnstoffene det samme på begge sider i reaksjonslikningen. Når vi balanserer en reaksjonslikning, kan vi bare endre koeffisientene (tallet foran symbolet), ikke indeksene (tallet nede bak symbolet). Skriver 2H₂O + O₂, i stedet for H₂ + H₂ + O₂.

 

(s) = fast stoff (solidus på latin)

(l)= væske (liquid på engelsk)

(g) = gass (gas på engelsk)

(aq) = løst i vann (aqua på latin)

 

Kjemiske reaksjoner og energi

Kjemisk reaksjon i to trinn:

1. Bindingene brytes mellom atomene i utgangsstoffene, og krever energi.

2. Det blir laget nye bindinger mellom atomene slik at vi får dannet nye molekyler.

Eksoterme = reaksjoner der det frigjøres energi --> Eks. Forbrenningsreaksjoner

Endoterme = I noen tilfeller kreves det mer energi for å bryte bindingene enn det som blir frigjort når de nye bindingene dannes.

 

10 B Redoksreaksjoner – kongen over alle reaksjonstyper!

Celleånding, fotosyntese, framstilling av metaller, rusting, surning av melk og forbrenning av olje 0og gass er bare få eksempler på redoksreaksjoner.

 

Forbrenning – et spesialtilfelle av redoksreaksjon

Forbrenning- vi sier at det skjer en forbrenning når et stoff reagerer med oksygen. De tre betingelsene for at det skal brenne er:

1. Brennbart stoff

2. Oksygen (eller et annet stoff som kan holde forbrenningen i gang)

3. Tenntemperatur

Under en forbrenning blir det frigjort energi.

 

Brennstoffer og brennverdier

Brennstoffer er stoffer som kan reagere med oksygengassen i luften og frigjøre energi.

Brennverdien er nettopp frigjort energi per masse av brennstoffene når de brenner fullstendig. En fullstendig forbrenning har vi når et organisk brennstoff brenner med rikelig tilgang på luft, og det bare blir dannet karbondioksidgass (CO₂) og vann.

 

En ufullstendig forbrenning skjer når tilgangen på luft er dårlig (lite oksygengass), og det blir dannet andre produkter, som karbonmonoksidgass (CO) og sot. I denne ufullstendige forbrenningen blir det frigjort mindre energi.

 

Redoksreaksjoner overfører elektroner

Redoksreaksjon = en reaksjon der det skjer en elektronoverføring.

- Oksidasjon har vi når et atom eller ion gir fra seg ett eller flere elektroner

- Reduksjon har vi når et atom eller ion tar opp ett eller flere elektroner.

Kan ikke få en oksidasjon uten at det skjer en reduksjon samtidig. Derfor kalles reaksjonstypen redoksreaksjoner.

 

10 C Biomasse – CO2-nøytral og fornybar

Biomasse er en fornybar energikilde dersom vi ikke driver rovdrift på ressursene. Vi utnytter en energikilde som ellers ville gått tapt. Organisk materiale blir jo uansett brutt ned i naturen. Forbrenningen av biomasse fører heller ikke til økt utslipp av drivhusgassen karbondioksid i motsetning til bruken av fossile energikilder.

 

Biomasse er CO2-nøytral fordi utslippene blir verken i større eller mindre grad om vi lar organisk materiale bli frigjort ved forbrenning.

 

Fast biomasse – ved pellets til oppvarming

Pellets kan brukes i stedet for fyringsolje

Foredlet biomasse = Flis og bark bearbeides til pellets, briketter eller trepulver og går under denne fellesbetegnelsen.

 

Biogass – fra søppel og møkk

Deponigass = biogass fra avfallsdeponier. Hvis vi samler opp biogassen kan vi bruke den som oppvarming og spesialbygdetransportmidler.

Oppvarming av kloakkslam, husdyrsgjødsel og matavfall i lufttette beholdere (reaktorer), blir det organiske materiale spaltet av bakterier og vi får metangass = reaktorgass. Ved å samle opp metangassen får vi energi samtidig som vi reduserer utslippene.

 

Biodrivstoff – alkohol og biodiesel til transport

Å bytte ut vanlig bensin og diesel med biodrivstoff er en enkel måte å redusere utslippene av klimagasser fra transportsektoren på. Biodrivstoffene etanol (C₂H₅OH) og metanol (CH₃OH) blir brukt sammen med vanlig bensin og utgjør omtrent 15 % av blandingen.

Biodiesel blir grovt framstilt av planteoljer eller dyrefett.

 

10 D Batterier – elektrisk energi på boks

 

Elektrokjemi – to poler og en elektrolytt

Hvordan lage batteri? – det du trenger for å lage et batteri er to ulike stoffer med forskjellig ladning. Disse vil da fungere som to poler, mens en spesiell væske leder strømmen (elektrolytt). F.eks. en sitron, en galvanisk spiker og en femtiøring.

 

Strømmen dette batteriet leverer kommer fra redoksreaksjonene mellom stoffene i batteriet. Batteriet er laget slik at de elektronene som blir overført mellom stoffene, går gjennom en ytre strømkrets istedenfor direkte mellom stoffene. Slik blir kjemisk energi overført til elektrisk energi. Spenningskilden i et slik batteri kalles en galvanisk celle.

 

Galvaniske celler gir elektrisk energi

 

To halvceller og en saltbro gir en galvanisk celle

Daniellcellen består av to halvceller. De to halvcellene er forbundet med hverandre ved hjelp av en saltbro. Denne saltbroen inneholder en løsning som leder strøm (en elektrolytt), men som ikke lar de to blandingene blande seg. Saltbroen sørger for at strømkretsen er lukket, men deltar ikke i redoksreaksjonen.

 

Elektromotorisk spenning – fra kjemisk til elektrisk energi

I danielcellen går kjemisk energi over til elektrisk energi. Mellom sinkstangen og kobberstangen er det en spenning på 1,1 V. Denne spenningen mellom polene i en galvanisk celle kalles elektromotorisk spenning (ems).

 

Elektroner går fra sinkstangen til kobberstangen mellom den ytre strømkretsen. Derfor blir energien overført til varmeenergi og ikke elektrisk energi.

 

Elektrolyse lader opp galvaniske celler

Nå danielcellen leverer elektrisitet, forsvinner noe av sinkstangen i sinkhalvledere og kobberionene i kobber-halvcellen. Reaksjonen stopper først opp når det ikke er mer sink eller kobberioner igjen. Da er cellen utladet.

 

Vi kan lade opp igjen danielcellen ved å koble en likespenningskilde til polene i cellen. Spenningen må være større enn den elektromotoriske spenningen (ems) til danielcellen (1,1 V). Denne likespenningskilden ”pumper” elektroner tilbake til den negative polen. Det skjer da en elektrolyse der sink tar opp elektroner (reduksjon) ved den negative polen og kobber gir fra seg to elektroner (oksidasjon) ved den positive polen.

 

Elektrolyse er den motsatte reaksjonen av den spontane reaksjonen som skjer i daniellcellen når den avgir energi. Den kjemiske energien som blir omdannet til elektrisk energi npr vi bruker danielcellen, kan vi levere tilbake til cellen ved eletkrolyse.

 

Elektrolyse

Ved elektrolyse får vi en reduksjonsreaksjon til å forløpe ved bruk av elektrisk energi. Likespenningskilden ”pumper” elektroner fra den positive til den enegative polen.

- Ved den negative polen skjer det en reduksjon, og det tas opp elektroner.

- Ved den positive polen skjer det en oksidasjon, og det avgis elektroner.

 

Batteriteknologi – ikke alle like gode

 

Elektromotorisk spenning (ems) og spenningsrekken

Metallenes spenningsrekke – jo lenger to metaller er i spenningsrekken, desto større blir spenningen mellom dem. Det metallet som står lengst til venstre i spenningsrekken, bli minuspol.

 

Den elektromotoriske spenningen (emsen) til batteriet er den spenningen vi måler når batteriet ikke er i bruk. Med høy spenning kan elektronene i strømkretsen overføre mer energi.

 

Kapasitet, energi og energitetthet

Kapasiteten i et batteri sier noe om hvor mye ladning batteriet kan levere. Enheten er wattimer (Wh).

Energi = spenning *kapasitet = spenning *strøm *tid

E = U*I*t

 

Størrelse og vekt er viktige faktorer når det kommer til å velge batteritype. Det nytter lite med stor kapasitet hvis batteriet er for stort eller for tungt til å få plass i armbåndsuret eller telefonen. Energitettheten (størrelsen) angir energi per masseenhet (J/Kg) eller energi per volumenhet (J/m3)

 

Et batteri bør ha lav indre motstand

Noen av den kjemiske reaksjonen i et batteri, som egentlig skulle flytte elektroner rundt i den ytre kretsen, går over til indre energi i batteriet.

 

Den elektromotoriske spenningen (emsen) til batteriet driver altså strømmen både gjennom den ytre og den indre kretsen. Desto mer spenning som går med til å drive strømmen tilbake gjennom elektrolytten (den indre kretsen), desto mindre spenning (polspenning) går til å drive strømmen i den ytre kretsen. Derfor bør et godt batteri ha så lav indre motstand som mulig.

 

Batterier skal behandles forsiktig!

Batterier inneholder farlige kjemiske stoffer. Dette er grunnen til at batterier ikke burde utsettes for høy varme. Derfor er det viktig å vite hvilke batterier som skal gis til gjenvinning, og hvilke som kan kastes i søppelet.

 

Ikke-ladbare batterier

 

Tørrelementer – enkle, billige og ufarlige

Tørrelementer er de aller billigste batteriene man kan kjøpe i butikken. Et tørrelement batteri består av en sinkbeholder fylt med en pasta av aluminiumklorid og gelatin. I midten er det en grafittstav som står i en blanding av brunstein og grafittpulver. Dette er grunnen til at tørrelementer blir kalt brunsteinbatterier. Den indre energien i et tørrelementbatteri er relativ stort og resulterer i et stort fall av den ytre spenningen (polspenning) hvis elementet må levere stor strøm. Tørrelementer er ikke ladbare.

 

Alkaliske batterier – holder spenningen, koster mer

Alkaliske batterier er en dyrere utgave av tørrelementer og bruker kaliumhydroksid som elektrolytt. Alkaliske batterier brukes i samme apparater som tørrelementene, men er bedre til bruk hvis apparatet er energikrevende.

 

Litiumbatterier – energirike og med høyere spenning

Litiumbatterier egner seg godt til bruk av små apparater som er energikrevende. Dette er fordi litium avgir elektroner og danner ioner. Med litium som negativ pol i et batteri er det derfor duket for høy spenning. Dette er fordi litium er et lettmetall og har høy energitetthet. Litium reagerer sterkt med luft og vann. Derfor er det veldig viktig at batteriemballasjen ikke blir skadet.

 

Knappecellebatterier – bitte små energibomber

Knappecellebatterier finne si armbåndsur og høreapparater. Disse batteriene har høy energitetthet og kan være mindre enn vanlige batterier. De brukes når størrelse og vekt er av betydning. De fleste knappecellebatterier inneholder miljøfarlige stoffer som kvikksølv og burde ikke kastet i søppelet.

 

Ladbare batterier – når reaksjonen kan gå begge veier

 

Ladbare batterier er laget slik at de kjemiske reaksjonene som skjer ved hver av polene når batteriet leverer energi, snus ved elektrolyse.

 

Blyakkumulatoren – stor, energirik og ladbar

Det er blyakkumulatoren som leverer de store mengdene elektrisk energi som motoren til en bil trenger for å starte. Dette gjør den på kort tid og batteriet kan lades mens motoren går.

 

Blyakkumulatoren kan lades ved å koble til en batterilader. Dette skyldes at stoffene som dannes ved bruk av blyakkumulatoren, blir værende i polene, og er klare til gjenbruk. For å få til en elektrolyse må spenningen til den ytre likespenningskilden være større en batteriets ems. Det er denne likespenningskilden som ”pumper” elektroner den motsatte veien i strømkretsen. De fleste blyakkumulatorer er på 12 V, derfor trenger vi en likespenningskilde som er over 12 V.

 

Nikkel-kadiumbatteriet (NiCd) – ladbart og rimelig

NiCd-batterier har en lavere ems enn vanlige tørrelementer Batteriet kan klare 1000 oppladinger, men kapasiteten blir dårligere for hver gang den blir avladet. Det blir også sake avladet, selv om det ikke er i bruk. Dette batteriet blir brukt til apparater som krever mye energi. Et NiCd-batteri som ikke blir helt utladet fra det blir satt til lading blir ikke ladet til full kapasitet.

 

I et NiCd-batteri er den positive polen nikkehydroksid og den negative polen er kadmium.

 

Nikkel-metallhydridbatteriet (NiMH) – nesten en brenselscelle

I dette batteriet er energitettheten større og har derfor større kapasitet enn et NiCd-batteri. Disse batteriene trenger heller ikke å avlades helt før man setter dem til lading. Det er heller ingen farlige giftstoffer.

 

Den negative polen i et NiMH-batteri er hydrogengass som er lagret mellom metallatomer i en blanding av flere metaller. De har egenskapen til å lage store mengder hydrogengass. Slik ligner et NiMH-batteri på en brenselscelle.

 

Litiumbatteriet – energirikt, ladbart og dyrt

Slike batterier har stor energitetthet og er ladbare, men de er dyrere. Dette er grunnen til at man finner dem i de litt mer kostbare apparatene som mobiltelefoner. Dette batteriet har en spenning på hele 3,4 V.

 

10 E Brenselscelle – forbrenning gir elektrisk energi

I en brenselscelle blir utgangsstoffene (stoffene som utgjør energikilden) kontinuerlig tilført mens cellen er i bruk. En brenselscelle kan da produsere elektriske energi så lenge det er tilgang på utgangsstoffene.

 

Brenselsceller – forbrenning med ytre elektronoverføring

Akkurat som batteriene er det mange forskjellige brenselscelletyper. Noen går på metangass, mens de fleste går på hydrogengass.

 

I en hydrogenbrenselscelle reagerer hydrogen- og oksygengass, og danner vann. Her blir den kjemiske energien imformet til elektrisk energi når elektronoverføringen mellom hydrogen og oksygen skjer via en ytre strømkrets, og ikke direkte mellom stoffene.

 

Brenselsceller er pålitelige

Brenselsceller har høy virkningsgrad når de produserer høyverdig elektrisk energi. Den vanligste typen brenselscelle er PEM-brenselscellen.

 

 

PEM-brenselsceller deler forbrenningen i to

PEM (proton exhange membrane) er enkle og kompakte hydrogenbrenselsceller. En PEM-celle består av to kamre. Hydrogengass blir pumpet inn i det ene kammeret, mens oksygengass pumpes inn i det andre. Mellom disse to kamrene er det en plastmembran.

 

I kammeret med hydrogengass er det en plate som inneholder platina. Den er negativ pol i brenselscellen. Der avgir hdrogengassen to elektroner som danner to H+-ioner (protoner).

          Negativ pol = H2  --> 2H+ + 2e-

Membranen slipper H+-ionene, men ikke elektronene, gjennom det andre kammeret, der oksygengassen er. Elektronene blir tvunget til å gå via en ytre krets til en annen plate som inneholder platina. Platen er den positive polen i brenselscellen. Ved den positive polen blir elektronene tatt opp av O-atomene i =2-molekylet og H+-ionene. Sammen danner de vannmolekyler

          Positiv plate = O2 + ¤h+ + 4e-  --> 2H2O

PEM-cellen har en ems på 1,2 V. Derfor må flere brenselsceller kobles sammen for å øke spenningen. Brenselscellen har en temperatur på 60-80 grader celsius og en virkningsgrad på ca 50 %. Ulempen med PEM-cellen er at platina er en katalysator, og er et sjeldent metall som er fryktelig dyrt.

 

Reaksjonene i en brenselscelle kan snus, akkurat som for ladbare batterier. Dette kan gjøres ved å koble cellen til en likespenningskilde hvor man kan framstille hydrogengass og oksygengass ved elektrolyse av vann.

 

 

10 F Hydrogensamfunnet – en mobil framtid uten forurensing?

 

Hydrogengass er en bærer av energi, ikke en energikilde

Hydrogengass finnes ikke i noen større mengde på jorden og må derfor framstilles. På verdensbasis blir 95 % produsert av fossile energikilder, mens 4 % blir produsert fra vann ved elektrolyse. Hydrogengass er derfor ikke en energikilde, men en energibærer.

 

Hydrogen fra fossile energikilder

Når hydrogengass blir framstilt fra fossile energikilder kalles produksjonsprosessen dampreformering. Reaksjonen skrives slik:

          Metangass + vanndamp --> hydrogengass + karbondioksid.

I reaksjonen blir det dannet karbondioksidgass. Dermed blir det et spørsmål om man kan kalle hydrogengass fra en slik prosess miljøvennlig.

 

Hydrogen ved elektrolyse av vann

Ved elektrolyse av vann spaltes hydrogen og oksygen ved bruk av elektrisk energi.

 

Elektrisk energi + 2H₂O (l) --> 2H₂ (g) + O₂ (g)

Kobler vi likespenningskilde til en PEM-celle kan den produsere hydrogengass ved elektrolyse av vann. Dette gjelder også for de andre brenselscelletypene. Men kostnaden ved å framstille hydrogen på denne måten er så store at det ikke er lønnsomt i dagens samfunn.