Elektrolyse i Danmark - Partnerskabet for brint og brændselsceller

Transcription

Strategi for F,U & D 2010-2018
Elektrolyse i Danmark
El til
øjeblikkelig
forbrug
Brint til distribution
eller produktion af
syntetiske brændsler
EL
H2
H2
Netbalancering
med fleksibelt
elforbrug
H2
EL
Stationær eller mobil
Partnerskabet for Brint og Brændselsceller
August 2009
www.hydrogennet.dk
El til almindeligt
elforbrug.
El til elmotorer
i brintbiler
Indhold
Resume .......................................................................................................................................................................................... 3
1. Indledning ............................................................................................................................................................................. 4
2. Formål ....................................................................................................................................................................................... 6
3. Teknologier til elektrisk transport ..................................................................................................................... 7
3.1. Elektrolysemarkedet på langt sigt
3.2. Elektrolysemarkedet på kortere sigt
4. Teknologier............................................................................................................................................................................ 4.1. Generelt
4.2. Karakteristika for de enkelte teknologier
5. Udviklingspotentialet for teknologien. ........................................................................................................... 5.1. Aktører
5.2. Konkurrenter
12
14
6. Mål og indsatsområder ............................................................................................................................................... 18
7. Finansiering .......................................................................................................................................................................... 23
8. Aktuelle danske F&U-projekter inden for elektrolyse ........................................................................ 24
Appendix A: Aktører inden for elektrolyseteknologi i Danmark .................................................... 25
Appendix B: Virkningsgrader, øvre og nedre brændværdi .................................................................. 27
Elektrolyse i Danmark, Strategi for F, U & D 2010-2018
er udgivet af en arbejdsgruppe under Partnerskabet Brint og Brændselsceller
i Danmark, august 2009.
Arbejdsgruppen har bestået af følgende medlemmer:
Direktør Aksel Mortensgaard, Partnerskabet for Brint og Brændselsceller
Director Business Development Helge Holm-Larsen, Topsoe Fuel Cell A/S
Manager Technical Administration Jens Olsen, Topsoe Fuel Cell A/S
Forskningskoordinator Inger Pihl Byriel, Energinet.dk
Civilingeniør Anne Nielsen, EUDP-sekretariatet/Energistyrelsen
Senior Developing Manager Aksel Hauge Pedersen, DONG Energy A/S
R&D Manager Steen Yde-Andersen, IRD Fuel Cells A/S
Development Engineer Jacob L. Bonde, IRD Fuel Cells A/S
Technical Director Jesper Themsen, Dantherm Power A/S
Business Development Manager Mikael Sloth, H2 Logic A/S
Research Professor Mogens Mogensen, Risø DTU
Head of Programme Allan Schrøder Pedersen, Risø DTU
Head of Programme Peter Vang Henriksen, Risø DTU
Associate Professor Jens Oluf Jensen, DTU
Technical Manager Lars Yde, HIRC
Teknisk Chef Per Frølich, Strandmøllen A/S
Udviklingschef Kristina Fløche Julsgaard, SEAS-NVE
Partnerskabets hjemmeside: www.hydrogennet.dk
Redaktionel bearbejdelse: journalist Steen Hartvig
Jacobsen, Kommunikationsbureauet Rubrik
Layout: MONTAGEbureauet Aps
Elektrolysestrategi
2
Resume
Strategien omfatter de tre elektrolyseteknologier: alkalisk elektro-
brændsler – kan lagres, så det kan anvendes enten til energiproduk-
lyse (AEC), PEM elektrolyse (PEMEC) og fastoxid-elektrolyse (SOEC).
tion, f.eks. el og varme, eller til transportformål.
Elektrolyse kan på flere måder bidrage til at forøge andelen af ved-
Pris og virkningsgrad er de to vigtigste parametre, når det fremti-
varende energi i det samlede energisystem. Via selve elektrolyse-
dige potentiale for elektrolyseteknologi skal vurderes. Det er et mål
processen kan elektrolyse bidrage med regulerkraft/lastudjævning
for den danske indsats, at der fra 2020 kan produceres brændsler via
i elnettet, medens elektrolysens slutprodukt – brint og syntetiske
elektrolyse af el produceret fra vedvarende energikilder til en fremstillingspris, der ikke overstiger prisen af tilsvarende fossile brændsler, som for eksempel brintfremstilling ved reformering af naturgas.
På grundlag af den danske brændselscelleudvikling og med baggrund i danske systemkompetencer har Danmark gode forudsætninger for at udvikle og kommercialisere teknologier til elektrolyse.
Det er hensigten, at elektrolysestrategien skal revideres første gang
ultimo 2011 for at afspejle den kommende udvikling og for at kunne
prioritere den fremtidige indsats på grundlag af opnåede resultater.
Det vurderes, at der i perioden 2009 til 2011 er behov for yderligere
offentlig støtte på 35 mio. DKK til forskning, udvikling og demonstration af elektrolyseteknologier.
Udsnit af et brintanlæg fra H2 Logic,
baseret på alkalisk elektrolyse.
Foto. H2 Logic
Anvendte forkortelser
Tekniske:
Organisationer:
AEC: Alkalisk elektrolyse
AAU :
CHP: Combined Heat and Power
AU-HIH : Århus Universitet – Handels- og Ingeniørhøjskolen
Aalborg Universitet
DME: Dimethylether
i Herning
HHV:
Øvre brændværdi
DTU :
Danmarks Tekniske Universitet
HT-PEMEC:Høj-temperatur PEMEC
ECN :
The Energy Research Centre of the Netherlands
LHV:
Nedre brændværdi
HIRC: Hydrogen Innovation & Research Centre
LSM:
Lantan-strontium-manganat
IEA: International Energy Agency
LT-PEMEC: Lav-temperatur PEMEC
IRD:
IRD Fuel Cells A/S
PE:
Polyethylen
OECD:
Organisation for Economic Co-operation
PEM:
Proton Exchange Membrane
and Development
PEMEC:
Proton Exchange Membrane elektrolysator
TOFC:
Topsoe Fuel Cell A/S
PEMFC:
Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PP:
Polypropylen
SNG:
Syntetisk naturgas
SOEC :
Solid Oxide Electrolysator Cell
SOFC :
Solid Oxide Fuel Cell
VE :
Vedvarende energi
YSZ :
Yttria-stabiliseret zirkonia
Elektrolysestrategi
3
1. Indledning
Elektrolyse af vand er grundlæggende en kendt teknologi, men
metoden har hidtil ikke vundet stor udbredelse, da brintfremstil-
På billedet til venstre ses GreenHydrogens elektrolyseanlæg. Kassen
ling ved reformering af fossile brændsler, typisk naturgas, hidtil
med den blå fronstside rummer selve elektrolysator-stakken, mens
har været billigere. De politiske mål om at reducere udslip af
brintdelen har rød farve, og iltdelen er hvid. På billedet til højre
drivhusgasser, fremme uafhængigheden af fossile brændsler og
fremviser en medarbejder ved Danish Power Systems en PEMEC-
øge andelen af vedvarende energi kan imidlertid medføre, at
membran og polymere tråde.
rammevilkårene ændres til gunst for elektrolyse af vand. Meget
Foto: GreenHydrogen.dk
Foto: Danish Power Systems
tyder på, at elektrolyse på sigt kan komme til at spille en vigtig
energiteknologi. Elektrolyseteknologierne understøtter alle disse
rolle i energikonvertering i forbindelse med øget anvendelse af
politiske målsætninger. EU’s Klima- og Energipakke, der blev en-
vedvarende energi. De to væsentligste faktorer, der også er de
deligt vedtaget af Rådet i december 2008, indeholder tilsvarende
centrale indsatsområder for denne strategi, er dels elsystemets
politiske mål som den danske energiaftale2).
stigende behov for regulerkraft/lastudjævning, hvor behovet allerede nu er påtrængende, dels behovet for at kunne producere
Med en øget andel af fluktuerende vedvarende energi i form af
brændsler, særligt til transportsektoren (brint/syntetiske brænd-
vind-, sol- og bølgeenergi vil behovet for energikonvertering fra
sler), der via konvertering af et overskud af VE elektricitet ikke
elektricitet til andre energiformer øges. På den ene side fordi der
medfører udslip af CO2.
vil være et behov for at lagre energi fra perioder med høj VE produktion til brug i perioder med lav, på den anden side fordi der er
Regeringen fremlagde den 19. januar 2007 sin langsigtede ener-
investeret store ressourcer i den etablerede energiinfrastruktur,
gipolitik i ”En visionær energipolitik 2025”, der efterfølgende
som derfor bør søges udnyttet så effektivt som muligt. Desuden
blev udmøntet i energiaftalen af 21. februar
20081),
hvori der
er der i transportsektoren et stort behov for brændsel med høj
bl.a. sættes som mål at udfase anvendelsen af fossile brændsler
energitæthed, herunder for eksempel syntetiske brændstoffer.
og forøge andelen af vedvarende energi. Baggrunden for ener-
En anseelig del af transportarbejdet vil formentlig kunne baseres
giaftalen er ønsket om at begrænse CO2-udledningen, at skabe
på elbiler, hvor en væsentlig del af elbehovet produceres ved
energiforsyningsmæssig uafhængighed af politisk ustabile natio-
hjælp af brændselceller om bord i køretøjet.
ner samt at skabe erhvervsmæssigt potentiale for øget eksport af
1) 193.88.185.141/Graphics/Energipolitik/dansk_energipolitik/Energistrategi2025/Praesentation_Energistrategi_190107_Endelig.pdf
2) www.kemin.dk/da-DK/KlimaogEnergipolitik/EUsklimaogenergipolitik/klima-ogenergipakken/Sider/Forside.aspx
Elektrolysestrategi
4
Sådan kan Topsoe Fuel Cells stakke
af SOEC-elektrolysatorer komme til
at se ud.
Foto: Topsoe Fuel Cell A/S
Hvis en stigende andel af vedvarende elektricitet
skal indpasses i energisystemet, forventes konvertering af elektricitet til brændsel på sigt at blive
en central byggesten. Det er i den sammenhæng
ikke afgørende, om dette brændsel er brint, eller
om man i stedet vælger at fremstille syntetiske
flydende brændsler. I begge tilfælde er den foreløbigt eneste realistiske konverteringsmetode elektrolyse.
Det forventes, at brint og brændselsceller kommer
til at spille en væsentlig rolle i fremtidens energisystem. I 2005 udarbejdede Energistyrelsen, Eltra,
Elkraft og Videnskabsministeriet en samlet dansk
strategi ”Brintteknologier - strategi for forskning,
udvikling og demonstration i Danmark”3), hvori de
overordnede træk m.h.t. behov og muligheder på
brintområdet blev beskrevet.
I direkte forlængelse heraf etableredes ”Partner-
Vestforsyning er et af de elselskaber, der har involveret sig I den danske brintud-
skabet for Brint og Brændselsceller” med under-
vikling. - Foto: H2 Logic
grupper inden for bl.a. brint og brændselsceller til
transportformål.
et ForskEL-projekt (2006-1-6287) i 2008 udarbejdet udredningsBrændselsceller er i dag et meget aktivt forsknings- og udvik-
rapporten ”Pre-Investigation of Water Electrolysis”. I rapporten
lingsområde i Danmark, og de forskellige teknologier har nået
argumenteres for, at det er nødvendigt at accelerere forsknings-
et stade, hvor demonstrationsprojekter og kommercielle niche-
og udviklingsarbejdet med elektrolyse.
markeder er aktuelle. Der har derimod ikke hidtil været samme
opmærksomhed på elektrolyseområdet.
Rapporten påpeger, at der findes en række muligheder for væsentlige forbedringer af den i dag kendte teknologi (f.eks. øget
Det skyldes formodentlig, at teknologien i form af den alkali-
driftstemperatur og direkte fremstilling af syntesegas i elektro-
ske elektrolysator har været anset for mere eller mindre færdig-
lysecellen). Med den accelererede forsknings- og udviklingsind-
udviklet, omend den lader en del tilbage at ønske bl.a. m.h.t.
sats, der lægges op til, vil elektrolyse kunne udvikle sig til en
virkningsgrad. Det er i det hele taget påfaldende, hvor relativt
vigtig byggeklods i energisystemet fra 2015-2020.
få aktører, der internationalt er engageret inden for elektrolyseområdet sammenlignet med brændselsceller. Det være sig både
Dette strategidokument er blevet udarbejdet for at koordinere
forskningsmiljøer og virksomheder.
og fokusere/målrette dette udviklingsarbejde samt at give en
referenceramme, som kan bruges til at vurdere fremtidige elek-
For at belyse state-of-the-art på elektrolyseområdet samt de
trolyseaktiviteter.
tekniske muligheder for dels at videreudvikle, dels at indpasse
teknologien, har DTU Kemi, Risø DTU og DONG Energy som led i
3) 193.88.185.141/Graphics/Publikationer/Energiforskning/Brintteknologier_juni_2005/index.htm
Elektrolysestrategi
5
2. Formål
Strategien skal fokusere dansk forskning, udvikling og demonstration inden for elektrolyse for at fremme hensigtsmæssig brug
af vedvarende energi i energisystemet samt skabe økonomisk
vækst med flere arbejdspladser og øget eksport.
Lolland kommune har engageret sig stærkt i udviklingen af brintteknologi. Her ses brintproduktionsanlægget til det lokale demonstratorium. Elektrolyseanlægget er betalt af og ejes af SEAS-NVE.
Lagertanken og brintnettet ejes af Lolland kommune.
Foto: Annette Greenfort/Bass
❚❚ Strategien gennemgår tre danske elektrolyse-indsatsområder,
❚❚ Danske virksomheder samt forsknings- og udviklingsinstitu-
identificerer ønskede tiltag og giver enkelte anbefalinger om
tioner kan anvende strategien til at målrette anvendelsen af
F, U & D
deres ressourcer på områder, der bidrager mest effektivt til
at fremme danske styrkepositioner inden for komponenter og
❚❚ Strategien skal bidrage til at synliggøre og målrette den fort-
systemløsninger
satte udvikling af danske kompetencer inden for elektrolyse
❚❚ Strategien skal endvidere medvirke til at synliggøre den
❚❚ Offentlige finansieringskilder kan bruge strategien til at prio-
langsigtede danske indsats og de danske kompetencer med
ritere de offentlige midler i den nationale indsats inden for
henblik på at tiltrække internationale samarbejdspartnere til
udvikling og demonstration af elektrolyse
virksomheder og vidensmiljøer i Danmark
❚❚ Regioner, vækstfora og kommuner kan bruge strategien som
❚❚ Strategien kan lette en koordinering af den danske indsats
støtte til at prioritere indsatsen og at koordinere med andre
med den internationale indsats på området, både i europæisk
regioner, vækstfora, kommuner og virksomheder, så der opnås
og øvrig international sammenhæng.
størst mulig nytteværdi af de anvendte ressourcer
Elektrolysestrategi
6
3. Teknologier til elektrisk transport
Den danske elektrolysestrategi har til formål at sikre det frem-
Ved formuleringen af målsætningerne for virkningsgraden for
tidige behov for elektrolyse på energimarkedet, herunder både
elektrolyseanlæg er der i denne elektrolysestrategi anvendt øvre
regulerkraft og konvertering til syntetiske brændstoffer som brint
brændværdi (HHV) hvis ikke andet er anført. Appendix B (side
og syntetisk naturgas. På et senere tidspunkt kan det blive re-
27) forklarer begreberne virkningsgrad og brændværdi (øvre:
levant at inddrage elektrolysens potentiale i andre industrielle
HHV, nedre LHV) og deres sammenhæng inden for elektrolyse.
sammenhæng.
To Risø DTU medarbejdere ved en af Risø DTUs
Det globale marked for elektrolyse til anvendelse på energiom-
elektrolyse-teststande.
rådet, kan opdeles i et her og nu marked for demonstration og
nicheanvendelser samt et langsigtet marked for produktion af
brint/syntesegas til en lang række energimæssige og industrielle formål. Dette strategidokument vil først beskrive de langsigtede markedsmuligheder og dernæst hvordan dette marked kan
nås ved at udnytte nichemarkeder og andre anvendelser, der kan
åbnes på kortere sigt.
Pris og virkningsgrad er de to vigtigste parametre, når det fremtidige potentiale for elektrolyseteknologi skal vurderes. Virkningsgrad, strømtæthed og pris for et elektrolyseanlæg hænger
sammen. Virkningsgraden stiger for et elektrolyseanlæg, når belastningen falder. Driftspunktet for et elektrolyseanlæg vil derfor
være en afvejning af driftsudgifter og anlægspris i forhold til levetiden af hensyn til den bedst mulige rentabilitet for anlægget.
I figur 3.1 er den forventede prisudvikling angivet for de tre elektrolyseteknologier ved en elpris på 0,50 DKK/kWh sammenlignet
med omkostningerne for den konventionelle brintproduktionsproces (reformering af naturgas) ved oliepriser på hhv. 260 DKK/
Foto: Risø DTU
tønde og 1040 DKK/tønde (hhv. 50 og 200 USD/tønde).
Figur 3.1 Prisudvikling for de tre elektrolyseteknologier sammenlignet med brint produceret ved reformering af naturgas
Prisudvikling, Brintproduktion
14,00
DKK/Nm3 H2
Reforming (260 DKK/bbl OE) + distribution
12,00
Reforming (1040 DKK/bbl OE) + distribution
10,00
SOEC (storskala)
PEM EC (lille skala)
8,00
AEC (1 MW)
6,00
4,00
2,00
0,00
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Elektrolysestrategi
7
3.1.
Elektrolysemarkedet
på langt sigt
Elektrolyse til indpasning af VE elektricitet
I Danmark kan der som led i opfyldelsen af regeringens målsætning om 30 % VE i 20251) forventes installeret op mod 6700 MW
Markedet for elektrolyse til energiformål, der betragtes som lang-
vindmøllekapacitet4). For at kunne indpasse elproduktionen fra
sigtet, er svært at kvantificere præcist, da det er et nyt marked.
så stor en vindmøllekapacitet under hensyntagen til døgn- og
Der findes ikke relevant historisk markedsinformation, og marke-
årsvariationen i elforbruget, vil der være et behov for tekniske
dets størrelsesorden kvantificeres bedst via scenarie-analyse.
løsninger til energilagring/netbalancering, selv når der tages
højde for mulighederne for at udjævne ved hjælp af import/
De elementer, der indgår i sådanne scanarie-analyser, er bl.a.
eksport af el.
følgende:
❚❚ Netbalancering, hvor elektrolyse og lagring af brændsel f. eks.
I rapporten om effektiv anvendelse af vindkraftbaseret el i Dan-
kan kombineres med en brændselscellegenerator for at ud-
mark fra marts 20094) er der regnet på en referencesituation i
jævne belastnings- eller produktionsprofiler
2025 med 6700 MW vindmøllekapacitet uden brug af virkemid-
❚❚ Forsyning af lokale brintnet, f.eks. til mikro-CHP og tankstationer for køretøjer.
ler til energilagring/netbalancering. I en sådan referencesituation for 2025 vil der være et kritisk eloverløb på 90 GWh/år.
❚❚ Indfødning af brint eller syntetisk naturgas på naturgasnettet,
så eksisterende infrastruktur udnyttes
Rapporten fokuserer primært på varmepumper og elbiler som
❚❚ Produktion af syntetisk brændstof med høj energitæthed (me-
virkemidler til at forebygge det kritiske eloverløb, men hvis ud-
tanol, DME, synfuels etc) via højtemperaturelektrolyse (SOEC)
viklingen af elektrolyseteknologier bliver så succesfuld, at 10 %
❚❚ Generel anvendelse af brint (og ilt) fra elektrolyse til at forøge
af netbalanceringen kan dækkes af elektrolyse, giver det en in-
virkningsgraden i biomasse-forgasning samt nyttiggørelse af CO2.
stalleret elektrolyseeffekt på 400 MW, svarende til et marked på
❚❚ Produktion af andre syntetiske stoffer på langt sigt (Polyethy-
ca. 2 mia. DKK i perioden frem til 2025.
len (PE), Polypropylen (PP) og andre typer plastik).
Behovet for energilagring/netbalancering (installeret elektrolyDer er et vist overlap mellem disse markedssegmenter. Men selv
seeffekt o.a. teknologier) bliver større på længere sigt i forbindelse
når der tages højde for disse overlap, vil der, som det fremgår
med implementeringen af regeringens langsigtede målsætning
af de efterfølgende opgørelser, på sigt være et stort potentielt
om, at 100 % af energiforbruget skal dækkes af VE, jfr. regeringens
marked for elektrolyseteknologi til energiformål.
”En visionær energipolitik 2025”.
1) ”En visionær energipolitik 2025”
4) Rapporten ”Effektiv anvendelse af vindkraftbaseret el i Danmark” kan downloades
fra www.energinet.dk/NR/rdonlyres/6FB8F834-77C8-4BA7-9AD4-07AFE2A09AB2/0/
SamspilmellemvindkraftudvekslingsforbindelservarmpumperogelbilerResume.pdf
Figur 3.2 Netbalancering, med elektrolyse og brændselsceller
El til
øjeblikkelig
forbrug
Brint til distribution
eller produktion af
syntetiske brændsler
Netbalancering
med fleksibelt
elforbrug
EL
H2
H2
H2
EL
El til almindeligt
elforbrug.
El til elmotorer
i brintbiler
Stationær eller mobil
Elektrolysestrategi
8
Elektrolyse til transportbrændstoffer
merværdi, som elektrolyse kan skabe i forbindelse med forgas-
Hvis brint eller andre elektrolysebaserede brændsler bliver ind-
ning af biomasse, virker et langsigtet verdensmarked for denne
ført generelt i transportsektoren, vil der alene i Danmark være et
type elektrolyseprodukter på over 375 mia. DKK/år ikke urime-
teoretisk markedspotentiale på ca. 4000 MW installeret effekt5).
ligt optimistisk.
Med en forudsætning om at brændselscelle-batteri hybrider
dækker 33 % af transportarbejdet, hvoraf 30 % er brændselscel-
Infrastruktur
lebaseret, vil omtrent 10 % af dette potentiale kunne udmøntes.
Typisk regnes levetiden af infrastruktur i vores energiforsynings-
Dette svarer til 400 MW installeret effekt i Danmark svarende til
system for at være mindst 30 år, og den eksisterende infrastruk-
yderligere ca. 2 mia. DKK.
tur er derfor en faktor, der har indflydelse på de samfundsøkonomiske beregningsforudsætninger for nye energiteknologier som
Elektrolyse til kraftvarme brændstof
elektrolyse over en tidshorisont, der ligger væsentlig ud over
Hvis brint eller syntetisk naturgas (SNG) skal benyttes til kraftvar-
2025. Derfor indgår den infrastruktur, der allerede er etableret i
me, vil det også forudsætte en øget anvendelse af elektrolyse.
Danmark, som en væsentlig del af de forudsætninger, der ligger
Tages der udgangspunkt i, at 25 % lokal kraftvarme erstattes med
til grund for de ovennævnte scenarier.
brint- eller SNG baseret mCHP, svarer dette til 600 MW installeret
effekt eller et markedspotentiale på godt 3 mia. DKK6).
3.2.
Forudsættes indfasning af teknologien over 5-10 år samt et euro-
Elektrolysemarkedet
på kortere sigt
pæisk marked, der er 30 gange større end det danske, vil alene
ét af de 3 ovennævnte anvendelsesområder skabe et europæisk
Fokus på vedvarende energi og langsigtede forsyningsmæssige
marked for elektrolyse på 10 – 20 mia. DKK/år.
hensyn skaber i dag en stærkt voksende interesse i en lang række
lande for for at kunne lagre elektricitet, og denne interesse baner
Elektrolyse til syntetiske
brændstoffer med høj energitæthed
vej for demonstrationsprojekter inden for de relevante teknologier.
Fremstilling af metanol og andre flydende brændsler er en
I Danmark er der to elektrolyse anlæg i drift9) i forbindelse med
yderligere mulighed med elektrolyse (Figur 3.4 side 10). Den
brint til transport. Tre andre projekter er installeret/under in-
nuværende markedsværdi af verdens metanolproduktion er
stallation i forbindelse med Samsø Energiakademi, H2College i
ca. 75 mia. DKK/år7) Værdien af verdens ethanolproduktion er
Herning og Brintbyen i Vestenskov på Lolland10). Et nyt elektroly-
i størrelsesordenen 150 mia.
DKK/år8),
mens værdien af andre
seanlæg er netop besluttet opført og sat i drift på Grønland. Ud-
flydende brændstoffer overstiger 7.500 mia. DKK/år. Med den
fordringen for disse projekter er, at elektrolyse og lagringsdelen
5)
6)
7)
8) Ifølge www.marketresearchanalyst.com/2008/01/26/world-ethanol-production forecast-2008-2012/
9) www.hydrogenlink.net/vestjylland samt rapport fra Elforsk-projekt 335-001, der kan
downloades fra www.elforsk.dk/projektinfo.asp?projektID=10
10)www.energiakademiet.dk, www.h2college.dk og www.h2-lolland.dk
Teknologisk Instituts rapport ”Lagring af brint i højtryksbeholdere” (ForskEL-projekt 5776)
EFP-projekt CanDan UPS og NT brændselscelle systemudvikling and pilot test (ENS
33032-0208)
Ifølge www.methanex.com
Figur 3.3 Vækst i VE’s bidrag, herunder ikke regulerbar VE, hvor ikke regulerbar VE vokser til over 50% af total VE
Produktion af vedvarende energi (TWh/år)
■
■
■
■
■
■
■
■
18.000
16.000
14.000
12.000
10.000
Andre
Bølgekraft/tidevand
Geotermi
Biomasse/affald
Sol: Koncentreret solenergi (CSP)
Sol: Solceller (PV)
Vindkraft
Vandkraft
8.000
6.000
4.000
2.000
0
1990
Kilde: IEA’s Energy Technology Perspectives 2008,
Blue Scenario, OECD/IEA, Paris, 2008
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
Elektrolysestrategi
9
er væsentligt dyrere komponenter end brændselscellerne i det
Introduktionen går derefter via tidlige markeder såsom fjerntlig-
samlede anlæg.
gende samfund med moderate krav til virkningsgrad frem mod
de store markeder inden for produktion af biobrændsler, trans-
I Nordamerika og andre lande planlægges en lang række pro-
portbrændstof og netbalancering, hvor virkningsgrad er altafgø-
jekter, hvor små lokalsamfund bliver forsynet med vedvarende
rende for, at elektrolyse kan bidrage til et effektivt energisystem.
energi fra vindmøller eller vandkraft, og hvor ubalancer i udbud
og efterspørgsel bliver udlignet via lagring i brint.
Brint anvendes i dag i en lang række nicher i procesindustrien.
Markedet for elektrolyse til denne brintproduktion er i størrel-
På demonstrationsmarkedet er der fokus på virkningsgrad og
sesordenen 310 mio. DKK/år på verdensplan. Dette marked er
pris, men der er samtidig en forståelse for, at teknologien kræver
karakteriseret af en lav prisfølsomhed og moderate krav til virk-
yderligere udvikling, før den er konkurrencedygtig på virknings-
ningsgrad, men indkøberne har stor fokus på holdbarhed og påli-
grad og pris, og at de nødvendige demonstrationsprojekter der-
delighed, da disse anlæg anvendes i industrielle miljøer som me-
for har brug for en særlig støtte.
get små dele af store produktionsanlæg. Dette marked vurderes
at være en velegnet introduktion for nyudviklede elektrolysetek-
Figur 3.6 side 11 illustrerer markedsintroduktion af dansk elek-
nologier, hvor danske virksomheder har potentiale for at kunne
trolyse, hvor der startes fra tidlig demonstration af brintsamfun-
etablere sig, fordi det er et nichemarked præget af moderat kon-
det med begrænsede krav til virkningsgrad som den første fase.
kurrence og høj indtjening. Barriererne for markedsindtrængning
Figur 3.4 Anvendelse af elektrolyseprodukter til forøgelse af virkningsgrad i biomasse forgasning
Biomasse
Vand
ilt
Elektrolyse
Biomasse
forgasning
syngas
Syntese
Naturgas/
flydende biobrændsel
Brint
Brint fra elektrolysen anvendes til justering af sammensætnin-
for kryogent iltanlæg. Dermed fordobles den mængde biobrænd-
gen af syntesegas fra forgasseren, så syntesegassen kan udnyt-
stof, der kan dyrkes på de forhåndenværende arealer, og CO2
tes langt mere effektivt. Ilt fra elektrolysen kan eliminere behov
emissionen og anlægsinvesteringen reduceres.
Figur 3.5 Forventet vækst i biomasse til flydende brændstof (BtL), hvor elektrolyse kan fordoble potentialet
35
Exajoules (EJ)
Mtoe
800
Millioner hektar
180
30
■
■
■
■
■
160
600
25
140
120
20
400
15
100
Biodiesel: Biomass to Liquid (BtL)
Biodiesel: Vegatabilsk olie (Fischer-Tropsch m.v.)
Bioethanol fra cellulose
Bioethanol fra sukker
Bioethanol fra korn
80
10
200
5
0
2005
200
60
40
Kilde: IEA’s Energy Technology Perspectives 2008,
Blue Scenario, OECD/IEA, Paris, 2008
20
2020
2035
0
2050
0
2005
2020
2035
2050
Elektrolysestrategi
10
vurderes som begrænsede, da den etablerede elektrolyseindustri
kapitalberedskab, samt at der på langt sigt findes et meget stort
hverken er stærk eller protektionistisk.
markedspotentiale for elektrolyse. Demonstrationsmarkedet for
elektrolyse til energiformål er på vej til at blive etableret og for-
Brændselscelleteknologien er i dag stærkt på vej på markedet i
ventes at vokse væsentligt i de kommende år. Dermed er der et
kraft af konkurrencedygtige priser på flere nichemarkeder. Syner-
meget interessant vækstmarked for den danske satsning inden
gien mellem elektrolyse og brændselsceller kan skabe hurtigere
for elektrolyse.
produktmodning og markedsintroduktion for elektrolyse og gensidig forøgelse af markedsvolumen.
Sammenfattende kan det konkluderes, at der på kort sigt findes
et markedspotentiale, der tillader en gradvis indtrængen, der
matcher de danske kompetencer i form af teknologisk indsigt og
Elektrolysebygningen hos Samsø Energiakademi med
tilhørende lagertank.
Figur 3.6 Udviklingen fra tidlig demonstration
til fuld kommercialisering
Pris
Demonstration af
brint samfund
El-lagring
i fjerne egne
Mikrokraftvarme
Produktion af
biobrændsler
Brint til transport
El-lagring
i elsystemet
(Netbalancering)
Produktion af
syntetiske stoffer
(plastik mv.)
Virkningsgrad
Foto: GreenHydrogen.dk
Figur 3.7 Anvendelse af CO2 via elektrolyse
VE elektricitet
Vand
CO2
SOEC
syngas
Syntese
Bioplastik/
flydende biobrændsler
CO2 udvundet fra røggas mv, f.eks. med anvendelse af CCS-teknologier, kan bruges som et råstof i en SOEC elektrolysator
Elektrolysestrategi
11
4. Teknologier
4.1.
Generelt
belægninger. Katalysatorerne kan være ædle eller ikke ædle metaller. Elektrolytten er en ca. 25 % vandig opløsning af KOH (ka-
Elektrolyse er en proces, hvor man ved hjælp af elektricitet frem-
liumhydroxyd). Brint og ilt adskilles i cellerne af et diaphragma/
stiller nye forbindelser. Når elektrolyse anvendes i forbindelse
membran, der er gennemtrængelig for vand og hydroxyl ioner,
med vedvarende energi, bruges processen sædvanligvis til frem-
men samtidig gastæt.
stilling af brint eller syntesegas.
Forøgelse af driftstemperaturen fra de i dag normalt anvendte
Den praktiske udformning af elektrolyseprocessen kan være
80 til over 200 °C kan forøge el-effektiviteten for anlæggene
meget forskellig, men er baseret på en elektrolysecelle med to
ganske betydeligt, ligesom højt driftstryk på stakken vil forøge
elektroder. Stoffet eller stofferne, der skal omdannes, tilføres
systemeffektiviteten, idet energiforbruget til den efterfølgende
elektrolysecellen i takt med tilførslen af elektricitet. Elektricite-
komprimering reduceres. Den forsknings- og udviklingsmæs-
ten tilføres som jævnstrøm med en spænding tilpasset antallet
sige udfordring er at sikre den nødvendige materialestabilitet
af elektrolyseceller i elektrolysestakken.
for elektroder, diaphragmer og pakninger. Der er identificeret
brugbare materialer, som ikke er dyrere end de materialer, der
De forventede generelle fordele ved de elektrolyseanlæg, som
anvendes ved 80 °C, men der mangler langtidstest (flere år) til
skal udvikles og demonstreres, er relateret til:
at eftervise deres kommercielle anvendelighed.
❚❚ Høj virkningsgrad
Den alkaliske teknologi er pga. sin prisbillighed anvendelig til
❚❚ Miljøvenlig, ingen forurening eller CO2 udledning
alle størrelser anlæg. Lige fra de helt små kW anlæg, der anven-
❚❚ Modulær opbygning, der kan tilpasses central eller decentral
des sammen med husstands CHP anlæg til 100 MW store anlæg
el-produktion
❚❚ Kort responstid, systemet kan bidrage til belastningsudjæv-
til netbalancering. Den maksimale stakstørrelse er i dag på 3,4
MW.
ning ved hurtige og store variationer i elsystemets belastning
❚❚ Høj effekttæthed (~1 MW/m3 brint)
PEM elektrolyse (PEMEC)
PEM-elektrolysecellen minder principielt om PEM-brændsels-
Partnerskabet for Brint og Brændselsceller har besluttet at priori-
cellen (PEMFC) og væsentlige dele af de senere års tekniske
tere følgende elektrolyseteknologier i strategidokumentet:
landvindinger inden for PEMFC kan også bruges til PEM-elektrolyseanlæg. En PEM-elektrolysecelle er opbygget omkring en
❚❚ Alkalisk elektrolyse
polymerelektrolytmembran (PEM), der er i umiddelbar kontakt
❚❚ PEM elektrolyse
med to gasdifussionelektroder, der udvikler henholdsvis ilt og
❚❚ Solid Oxide elektrolyse
brint.
Elektrolytmembranen er som regel en perfluoreret polysulfon-
4.2.
Karakteristika for de
enkelte teknologier
syre ionbytter membran eksemplificeret ved produktet Nafion®,
der er standardelektrolytten i den analoge brændselscelle. Elek-
trolytmembranens egenskaber bestemmer anlæggets driftstem-
Alkalisk elektrolyse (AEC)
peratur. Lav-temperatur PEMEC (LT-PEMEC) har driftstemperaturer
Alkalisk elektrolyse repræsenterer en moden teknologi til on
på 65–85 °C, og høj-temperatur PEMEC (HT-PEMEC) vil have drifts
site produktion af brint til industrielle processer. For at en dansk
temperaturer på 160–180 °C.
udviklet AEC-teknologi skal kunne konkurrere med eksisterende
teknologier/brændsler på energimarkedet, og for at kunne kon-
Katalysatoren på begge gasdiffusionselektroder er platin eller
kurrere med leverandører af konventionel AEC-teknologi er det
ædelmetal legeringer. Der, hvor PEM-elektrolysecellen adskiller
nødvendigt at videreudvikle teknologien, så effektiviteten øges
sig tydeligst fra PEM-brændselscellen, er på iltelektroden, som
og anlægsprisen reduceres, for derved at reducere anlægs- og
udover katalysatoren må fremstilles af andre materialer end kul-
driftsomkostninger.
stof eller rustfrit stål, der er standard i PEMFC. Grunden til dette
er, at elektrolyseceller har en højere cellespænding end brænd-
Anode- og katode-elektroderne i alkaliske elektrolyseanlæg er
selsceller. Gasddiffusionsdelen af elektroden fremstilles derfor af
typisk fremstillet af nikkel eller forniklet stål påført katalytiske
korrosionsbestandige materialer som f.eks. titan. Elektrolytmem-
Elektrolysestrategi
12
branen gør det sammen med de metalbaserede, porøse gasdif-
Cellen består af to elektroder på hver side af en tynd ilt-ion-
fusionselektroder muligt at fremstille rent brint under højt tryk.
ledende elektrolyt. Til både elektroder og elektrolyt anvendes
PEM elektrolyseanlæg, der fremstiller brint ved 350 bar, er under
keramiske materialer – de to porøse elektroder er typisk lavet
udvikling.
af henholdsvis nikkel/YSZ (yttria-stabiliseret zirkonia) og YSZ/
LSM (lanthan-strontium-manganat), mens elektrolytten normalt
Status for kommercialisering af teknologien er, at små PEMEC
består af YSZ. Der arbejdes endvidere med alternative materia-
anlæg til industrielle formål findes på markedet. Teknologien er
ler til begge elektroder med det formål at forbedre ydelse og
endnu ikke så etableret som AEC, men flere firmaer, der sælger
holdbarhed.
alkaliske elektrolyseanlæg, markedsfører også PEM elektrolyseanlæg.
For at opnå praktiske anlægsstørrelser og en passende arbejdsspænding stables cellerne mellem elektrisk ledende intercon-
Selvom PEMEC kun kendes fra små anlæg, er der ikke noget i
nectplader, der fremstilles i ferritisk rustfrit stål pålagt en beskyt-
teknologien, der vil forhindre opbygning af store anlæg. Anlæg i
tende belægning.
MW størrelse baseret på PEM teknologi bruges til fremstilling af
klor, brint og natriumhydroxid i klor/alkali-industrien.
Driftstemperaturen er 750–950 °C og det er eftervist, at cellen
kan anvendes til både elektrolyse af vanddamp (H2O) og CO2
Fastoxid-elektrolyse
(SOEC, Solid Oxide Electrolyser Cell)
med høj produktionshastighed og høj virkningsgrad. Ved kom-
SOEC er som udgangspunkt den samme celle som den, der er
som kan omdannes til syntetiske brændsler ved hjælp af eksiste-
udviklet som SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). SOEC er udviklings-
rende katalyseteknologi.
bineret H2O- og CO2-elektrolyse dannes syntesegas (H2 og CO),
mæssigt ikke så langt som alkalisk og PEM elektrolyse, men
teknologien rummer et spændende potentiale i form af højere
Af syntetiske brændsler kan nævnes metan (syntetisk naturgas –
virkningsgrad og mulighed for at udnytte CO2 som råstof til pro-
SNG), metanol, dimethylether (DME), benzin og diesel.
duktion af syntetisk naturgas.
Tabel 4.1 Karakteristika for de tre elektrolyseteknologier
AEC
Temperatur
Tryk
El-virkningsgrad (HHV)
Udviklingsstade
Pris for anlæg
Maksimalt demonstreret stakstørrelse
PEMEC
SOEC
60-80 ºC standard.
Potentiale for 100-200 ºC
60-80 ºC standard.
100-200 ºC udvikles
750-950 ºC
32 bar i stor skala industrianlæg
Potentiale for højt tryk (100 - 200
bar) p.g.a. fast elektrolyt
Potentiale for højt tryk (100 bar)
pga. fast elektrolyt
75 -85% ved 0,2 A/cm2 11),
Potentiale for 85 -95%
80 – 85 % ved 1,0 A/cm2, 100 %
ved 0,2 A/cm2
90 % ved 1 – 3 A/cm2 (termoneutral). Hvis varme tilføres kan
den blive over 100 % af tilført el.
Kommerciel
til industrigasproduktion.
Potentiale for udvikling
til energianlæg.
Kommerciel
til industrigasproduktion.
Potentiale for udvikling
til energianlæg.
Begyndende kommercielt
(HT-PEMEC på forsøgstadiet)
Under udvikling
Relativt lav, grundet materialer
Sammenlignelig med AEC
(små anlæg)
Langsigtet potentiale for meget
billige anlæg pga. materialer og
høj effekttæthed
3,4 MW
45 kW
15 kW
Overskudsvarmen fra et elektrolyseanlæg vil kunne udnyttes til opvarmning. Værdien af varmen vil afhænge af anlægsplacering og anlægstemperatur.
11)A/cm2 er en værdi for strømtætheden
Elektrolysestrategi
13
5. Udviklingspotentialet
for teknologien
AEC
I Danmark er udviklingen af PEM elektrolyse især koncentreret
Den alkaliske teknologi anvendes i dag kommercielt udeluk-
hos DTU Kemi og IRD.
kende til produktion af brint til industriformål. Derudover er der
et spirende marked for demonstrationsanlæg som H2Logic og
En af aktiviteterne er at udvikle en højtemperatur PEMEC-celle
GreenHydrogen.dk har leveret til i Danmark. Der er tilbage i tiden
med udgangspunkt i samme teknologi som for højtemperatur
bygget anlæg på over 100 MW i forbindelse med kunstgødnings-
PEMFC. Det første trin er at vælge et passende bærermateriale til
fabrikker.
iltelektroden og vise, at det er stabilt i det relevante interval af
temperatur og cellepotential.
Hvis den del af den tilførte elektricitet, der ikke omsættes til
brintproduktion, kan udnyttes til varme, kan den samlede ener-
En anden af aktiviteterne er at udvikle lavtemperatur PEMEC-
givirkningsgrad blive ganske høj, over 95 %.
anlæg med udgangspunkt i erfaringerne fra PEMFC. I den forbindelse er der indledt samarbejde med ECN i Holland og canadiske
Også helt små anlæg på et par kW til on site forsyning af små
firmaer, der regnes blandt de førende PEMEC-aktører.
CHP anlæg og optankning af lette køretøjer, kan af prismæssige
årsager med fordel anvende alkalisk teknologi. Nye stakdesign
Der er etableret samarbejde indenlands i form af et forsknings-
især anvendeligt til små anlæg har potentiale for at reducere
center (HyCycle) og internationalt i form af dansk deltagelse i et
prisen på elektrolysestakken med 60–70 %.
EU-projekt under 7. rammeprogram (WELTEMP).
I Danmark er udviklingen af AEC især koncentreret hos HIRC, Risø
SOEC
DTU og GreenHydrogen.dk.
En af de specifikke fordele ved SOEC sammenlignet med konventionel elektrolyseteknologi er dens evne til at lave kombineret
PEMEC
H2O- og CO2-elektrolyse og dermed muligheden for at lave bil-
De eksisterende PEMEC anlæg demonstrerer allerede en del af
lig syntetisk (ikke-fossilt) brændsel til f.eks. transportsektoren.
potentialet i PEM teknologien i form af kompakte, simple og
Elektrolyseprocesssen er varmeforbrugende (endoterm). Dette
sikre anlæg, der producerer tryksat brint. Den slags enheder er
og den høje driftstemperatur betyder, at der (stort set) ikke pro-
f.eks. under demonstration i Nakskov i forbindelse med 1-2 kW
duceres spildvarme, hvilket giver en meget høj virkningsgrad
PEMFC-kraftvarmeenheder. Overskudsvarmen fra sådanne PEMEC
– betydeligt højere end for lavtemperatur-elektrolyse. Den høje
enheder vil umiddelbart kunne bruges sammen med varmen fra
temperatur bevirker også, at der kan anvendes relativt billige
PEMFC-kraftvarmeenhederne.
elektrode- og elektrolytmaterialer (ingen ædelmetaller).
Der er et udviklingspotentiale, som aktørerne vurderer vil føre til
Yderligere forøgelse af virkningsgraden og forbedring af økono-
en generel reduktion af fabrikationsomkostningerne og forøgelse
mien kan opnås ved at tryksætte SOEC. Tryksætningen kan opnås
af virkningsgraden. Udviklingen forventes dels drevet af den ri-
ved fordampning af højtryks fødevand (flydende) vha. lavkvali-
vende udvikling på PEMFC-området, dels af et selvstændigt ud-
tetsvarme og forventes derfor at være billig sammenlignet med
viklingsspor. Lavere materialeomkostninger kan opnås ved brug
andre tryksætningsmetoder. Den høje driftstemperatur og et højt
af PEMFC resultater inden for nye elektrolytmembraner samt fra
tryk gør det muligt at integrere den videre katalyse af syntese-
nye ikke-platin metalholdige katalysatormaterialer, der p.t. er
gassen til syntetisk brændsel i ét system.
under udvikling til lavtemperatur PEMEC. Øget virkningsgrad forventes bl.a. at kunne opnås ved øget driftstemperatur. De gode
Det er vist at ”state-of-the-art” SOFC celler er reversible, og disse
resultater med højtemperatur PEMFC lover godt for dette udvik-
er således et godt udgangspunkt for udviklingen af SOEC-celler.
lingsspor. Det forventes ikke på kort sigt, at højtemperaturcel-
For en dansk satsning inden for området er det således en fordel,
lerne vil blive helt termoneutrale, som det er muligt med SOEC,
at udviklingen kan bygge videre på den store kompetence, der
men i kraft af, at overskudsvarmen produceres ved temperaturer
findes i Danmark på SOFC-området. Her har der de seneste 20 år
mellem 150 og 200 ºC, vil den kunne anvendes til dampfremstil-
været satset kraftigt såvel inden for grundlæggende F&U som
ling eller sendes ud i fjernvarmenettet, hvorved den samlede
inden for udvikling af billige produktionsmetoder og modulud-
virkningsgrad kan blive meget høj. Udvikling af regenerative
vikling, og der findes i Danmark egentlige anlæg til produktion
brændselsceller, hvor elektrolyse og brændselscellefunktion fore-
af celler. Denne F&U-indsats – der i takt med, at teknologien
går i samme celle, har ligeledes potentiale for reduktion af fabri-
nærmer sig det kommercielle marked, er øget betragteligt inden
kations- og driftsomkostninger.
for de seneste 5 år – har i 2008 et omfang af 160 mandår/år (i
Elektrolysestrategi
14
Danmark) fordelt på både forskningsinstitutioner (især Risø DTU)
elektrolyse på mange års erfaring med HT-PEM brændselsceller
og virksomheder (især Topsoe Fuel Cell A/S).
og på mange års grundlæggende forskning inden for katalysatormaterialer til brændsels- og elektrolyseceller.
5.1.
Aktører
De danske aktører indenfor elektrolyse dækker samlet i store
træk den komplette værdikæde for et elektrolysesystem. Sam-
Det danske miljø inden for elektrolyse har i løbet af det seneste
tidig har de danske aktører tilsammen kompetencer inden for
par år udviklet sig til at bestå af særdeles lovende aktører målt
alle teknologier og vil dermed kunne skabe konkurrencedygtige
i forhold til den internationale konkurrence. Risø og Topsoe Fuel
løsninger på grundlag af det aktuelle teknologiniveau, og de er i
Cell har haft succes med forskningen indenfor SOEC og har opnået
besiddelse af en meget lovende portefølje af nye teknologier og
den hidtil højeste ydelse ved høje virkningsgrader, GreenHydro-
optimeringsmuligheder, som giver løfter om, at danske aktører
gen.dk er blevet etableret som systemudvikler baseret på et
kan erobre en central position inden for elektrolyse.
yderst kompetent konsortium af virksomheder og enkeltpersoner, der er startet med at optimere alkalisk elektrolyse, IRD byg-
I nedenstående figur 5.1 er delsystemerne (værdikæden) i et
ger udviklingen af PEM elektrolyse på mange års erfaring med
elektrolysesystem illustreret.
PEM brændselsceller. DTU Kemi bygger udviklingen af HTPEM
Figur 5.1 Delsystemer (værdikæde) for et elektrolysesystem
Elektrolysesystemer
Effekt elektronik DC/AC og eventuelt DC/DC
Kølesystemer, evt. varmelager
Vandbehandling
Kompressor
Tørrer
System styring
Kabinet/Chassis/Indpakning
Udvikling og Produktion
Elektrolysemodul(er)
Elektrolysemodul
Ventiler, sensorer, pumper m.v.
Internt kølesystem
Separator
Oprensning
Iltsystemer
Simpel styring
Udvikling og produktion
Elektrolysestak(ke)
Elektrolysestak
Komplet stak PEMEC / SOEC / AEC
med tilslutninger til modul komponenter
Bipolære plader
Forsegling
Endeplader
Øvrige stakkomponenter
F&U på stakniveau
Celler
Celler og MEAer
Elektrolyt
Elektroder
Katalysatorer
F&U på materialeniveau
Elektrolysestrategi
15
De eksisterende danske hovedaktører kan indplaceres i disse del-
5.2.
Konkurrenter
systemer som følger:
Ny elektrolyseteknologi vil konkurrere med eksisterende elektro-
Celler:
lyse samt i markeder, hvor elektrolysen kan substituere anden
Risø DTU (SOEC, AEC)
teknologi.
DTU Kemi (PEMEC)
Danish Power Systems (PEMEC)
Substitution af anden teknologi er en meget kompleks problem-
Topsoe Fuel Cell (SOEC)
stilling, og en markedsanalyse heraf kræver meget brede kom-
IRD (PEMEC)
petencer og bør udredes i detaljer på uvildig vis. I det følgende
DTU Institut for Planlægning Innovation og Ledelse (AEC)
vil der for markeder, hvor elektrolysen kan substituere anden
FORCE Technology (AEC)
teknologi, være medtaget en kort oplistning af de væsentligste
konkurrerende teknologier.
Elektrolysestak:
Risø DTU (SOEC, AEC)
Når det gælder regulerkraft/lastudjævning i elsystemet er de
DTU Kemi (PEMEC)
konkurrerende teknologier: trykluftslagring, centrale varmepum-
Topsoe Fuel Cell (SOEC)
per i fjernvarmenettet, individuelle varmepumper, elbiler, eks-
IRD (PEMEC)
port af el til udlandet og store batterier4).
GreenHydrogen.dk (AEC)
HIRC (AEC)
Når det gælder brint og syntetiske brændsler til transportsektoren er de konkurrerende teknologier: fossile brændsler/forbedret
Elektrolysemodul:
motorteknologi, elbiler, syntetiske brændsler og 2. generations
IRD (PEMEC)
biobrændstoffer.
GreenHydrogen.dk (AEC)
Konkurrencen på markedet for elektrolyse er bestemt af, at der
Elektrolysesystem:
p.t. er to store spillere, Norsk Hydro og Hydrogenics, som tilsam-
GreenHydrogen.dk
men sidder på omtrent 70 % af verdensmarkedet. Det aktuelle
H2 Logic
marked er karakteriseret ved høj pris baseret på meget traditio-
IRD (PEMEC)
nel teknologi med fokus på det industrielle marked. Konkurrencen defineres derfor nærmere ved konkurrerende klynger, som
Som det fremgår af aktørlisten, er alle aspekter dækket fra tidlig
på sigt satser på at angribe energimarkedet på tilsvarende vis
F&U på universiteter og ved forskningsinstitutioner over indu-
som den danske klynge.
striel modning af stakke og stakkomponenter til industriel promulige aktørers kompetencer er anført i appendiks A side 25.
Følgende klynger kan i dag defineres,
med nedennævnte karakteristika:
Bortset fra FORCE Technology er alle aktører i forvejen repræ-
Canada
senteret inden for brændselscelleklyngen i Danmark. Syner-
I Canada har der i mange år eksisteret en klynge med store kom-
gierne mellem udvikling og produktion af elektrolyseceller og
petencer inden for elektrolyse. Specielt i Toronto-området, hvor
brændselsceller er meget store for PEMEC og SOEC, da der skal
Hydrogenics er den største spiller, men hvor flere små virksom-
anvendes samme discipliner og samme produktionsapparater.
heder har vist interessante resultater. Kompetencen udspringer
Synergierne mellem udvikling og markedsføring af elektrolyse-
af konventionel alkalisk elektrolyse, men de seneste år har der
systemer og brændselscellesystemer er ligeledes meget store,
også været arbejdet intensivt med PEM-elektrolyse. Miljøet i To-
da koncepterne er de samme, og det er samme marked tekno-
ronto må betegnes som et af verdens stærkeste på såvel konven-
logierne rettes imod.
tionel alkalisk elektrolyse som PEM-elektrolyse.
Klyngen indenfor elektrolyse i Danmark er dermed særdeles
Italien
stærk og kan med afsættet i brændselscelleteknologien erobre
I Italien findes en række elektrolysevirksomheder, som har gan-
en internationalt ledende position på kort tid.
ske effektive og billige alkaliske elektrolyseapparater til salg som
duktion og markedsføring. En mere udførlig liste over aktører og
4) Rapporten ”Effektiv anvendelse af vindkraftbaseret el i Danmark” kan downloades fra www.energinet.dk/NR/rdonlyres/
6FB8F834-77C8-4BA7-9AD4-07AFE2A09AB2/0/SamspilmellemvindkraftudvekslingsforbindelservarmpumperogelbilerResume.pdf
Elektrolysestrategi
16
hyldevarer. I Italien koncentrerer kompetencerne sig omkring
konventionel alkalisk elektrolyse bygget af små virksomheder.
Virksomhederne distancerer sig fra øvrige konkurrenter gennem
lave priser på velfungerende systemer.
Tyskland
I Tyskland findes en række elektrolysevirksomheder,
Canada har et af de stærkeste udviklingsmiljøer i verden inden for PEM og alkalisk
som tilbyder lovende produkter. Virksomhederne
elektrolyse. Foto viser canadisk teknologi i et demonstrationsprojekt på Lolland.
har dog ikke haft kommercielt gennembrud og står
kun for en meget lille del af de leverede elektrolysesystemer i dag. Der findes dog et forskningsmiljø,
som kan sikre særdeles stor konkurrencedygtighed i
fremtiden. I Tyskland arbejdes der med alle 3 elektrolyse-teknologier (AEC, PEMEC og SOEC).
Norge
I Norge er kompetencerne koncentreret omkring
Norsk Hydro, der som en af verdensmarkedets to
store spillere har velfungerende alkaliske elektrolysesystemer. Norsk Hydro arbejder også med PEMelektrolyse, men har kun begrænset succes i energidemonstrationsmarkedet, da priserne er høje og
systemerne målrettet industrielle anvendelser.
Schweiz
IHT opererer med store AEC anlæg og har mange
års erfaring. IHT ejer produktionsfaciliteterne til
LURGI-elektrolyseanlæggene, men de har ingen
Foto: Annette Greenfort/Bass
udviklingsafdeling. Deres forretning koncentrerer
sig om service og vedligeholdelse af eksisterende
anlæg. Dog viser de i dag interesse for udvikling,
da de deltager aktivt in EU-projektet WELTEMP om HT-PEMEC, et
I tillæg til de nu kendte klynger vil der over de kommende år
projekt der er koordineret af DTU Kemi.
kunne forventes en række nye konkurrenter, som tager udgangspunkt i nuværende udviklingsspor inden for PEM og Solid Oxide
Rusland
brændselsceller. Disse vil alle have potentiale for senere at blive
Firmaet Uralhimmash forsynede hele det tidligere Sovjetunionen
konkurrenter.
med elektrolyseanlæg til industriel brug. Der har været flere forsøg fra vesteuropæiske firmaer på at få et samarbejde i gang
Ovennævnte klynger og fremtidige mulige konkurrenter er ge-
for at udnytte de billige produktionsmuligheder i Ural, hvor fa-
nerelt baseret på enkeltvirksomheder, og deres nuværende
brikken er placeret. Det er dog endnu ikke lykkedes. Russernes
positioner på det industrielle marked eller evt. mulighed for at
udviklingsaktiviteter koncentrerer sig om styring og regulering
introducere teknologiske fremskridt er derfor afhængig af udvik-
af anlæggene.
lingspotentialet i den enkelte virksomhed. Kun i Tyskland er der
identificeret en klynge med bredde og teknologiske kompeten-
Kina
cer på niveau med den danske klynge. Dertil kommer, at det
I Kina findes enkelte elektrolysevirksomheder, som laver robust
danske partnerskab inden for brint og brændselsceller har vist sig
alkalisk elektrolyse til meget lave priser. Det er ikke opfattelsen,
særdeles stærkt, og det har kompetence til at bringe den danske
at der foregår stor udvikling, men med de store og kompetente
klynge frem i første række inden for elektrolyse.
universiteter i Kina er det ikke utænkeligt, at der herfra vil blive
satset kraftigt på udvikling i de kommende år.
Elektrolysestrategi
17
6. Mål og indsatsområder
Den danske brintstrategi fra juni 2005 påpeger:
”På elproduktionsområdet udgør den stigende mængde af uregulerbar vindkraft en udfordring for energiforsyningen. Anvendelse af ”overskydende eller billig” vindkraft-el til produktion
af brint ved elektrolyse og lagring af brinten med henblik på
anvendelse i ”dyre” perioder kan være et vigtigt middel til at
Et test-setup for et PEM EC-anlæg, der afprøves
sikre stabile markedsforhold og øge fleksibiliteten for elproduk
hos Danish Power Systems i samarbejde med DTU Kemi.
tionen.”
Med baggrund i brintstrategien skal indsatsområder, der støttes
af offentlige ordninger til fremme af forskning, udvikling og demonstration af brintproduktion ved elektrolyse, leve op til følgende kriterier:
❚❚ Indsatsen skal føre til afgørende bedre teknologier, eller anderledes teknologier med et bedre perspektiv i forhold til konkurrerende elektrolyseteknologier
❚❚ Indsatsen skal have et betydeligt erhvervspotentiale
❚❚ Indsatsen skal udnytte synergier og kompetencer i Danmark
❚❚ Indsatsen skal have energipolitisk relevans.
Dette styrer hvilke basisteknologier, der kan forventes at modtage offentlige støttemidler.
Demo-aktiviteter skal indeholde en form for teknologiudvikling
af selve anlæggene og skal læne sig op ad den danske brintstrategi. Herunder hører således demo-aktiviteter, der fremmer
anvendelse af elektrolyse til lastudjævning med henblik på at
Foto: Danish Power Systems
øge fleksibiliteten i elsystemet.
Projekter inden for følgende indsatsområder kan således støttes i
det omfang, de lever op til de ovennævnte kriterier:
Elektrolysesystemer generelt
❚❚ Alkalisk elektrolyse
Elektrolysesystemer kan generelt set betragtes som et produk
❚❚ PEM elektrolyse
tionsanlæg, der tilføres råstoffer i form af elektricitet, vand og
❚❚ Solid Oxide elektrolyse
evt. CO2 (for SOEC). De produkter, der leveres fra anlægget, er
brint eller syntesegas, ilt, varme samt regulerkraft og reaktiv ef-
Indsatsområderne bør fokusere på optimering af følgende for-
fekt til balancering af elnettet. Det er vigtigt at tage alle pro-
hold:
dukterne i betragtning, da biprodukterne kan bidrage ganske
❚❚ Virkningsgrad
betydeligt til driftsøkonomien.
❚❚ Miljøvenlighed: ingen forurening eller CO2 udledning
❚❚ Skalerbarhed (modulær opbygning) og driftsikkerhed
Kraftforsyningen, der forsyner elektrolyseanlægget med elektri-
❚❚ Responstid (til brug for lastudjævning i el-systemet)
citet fra elnettet, bør kunne belaste nettet såvel kapacitivt som
❚❚ Effekttæthed
induktivt og dermed reducere nettabene.
❚❚ Anlægslevetid
Brinten/syntesegassen skal afhængig af anvendelse opfylde visDet vil især være inden for elektrode- og elektrolytudvikling, der
se krav til renhed, vandindhold og tryk. Gasbehandling i form af
tilsammen udgør elektrolysecellen, at basisteknologierne vil ud-
rensning og måske komprimering vil være energikrævende. Det
vikle sig forskelligt, medens udvikling af gasbehandling, kraftfor-
er derfor vigtigt, at der gøres en indsats for at øge effektiviteten.
syning, komprimering og oplagring kan ske mere tværgående.
Elektrolysestrategi
18
6.1 Alkalisk elektrolyse (AEC)
Markedet for elektrolyseanlæg til energiformål bliver helt ander-
at prisen pr. produceret Nm3 brint reduceres væsentlig. Stakde-
ledes end det eksisterende industrimarked, fordi brinten på ener-
sign skal forbedres mht. flow af elektrolyt, brint og ilt, korro-
gimarkedet er slutproduktet. Derfor er det afgørende at kunne
sion, lækstrømme, materialeforbrug, stakvolumen, egnethed for
udvikle lavprisanlæg, der kan producere brint til omkostninger,
masseproduktion og pris. Det såkaldte non zero gap koncept har
som sætter brint i stand til at konkurrere på energimarkedet som
potentiale for at reducere prisen på stakken til en tredjedel af
en bærer af vedvarende energi. Flere udenlandske forskningsin-
prisen på traditionelle alkaliske elektrolysestakke.
stitutter har allerede vist, at det er muligt at opnå virkningsgrader på 95 %.
Jo mere avancerede elektrodebelægningerne bliver jo større
strømtæthed, og ikke mindst jo højere driftstemperaturer jo van-
På grund af den ringe konkurrence på markedet for industriel
skeligere er det at opnå levetider på op til 20 år, som kende
brint er der stort set ikke sket nogen teknologiudvikling af al-
tegner konventionelle alkaliske elektrolyseanlæg. Der er således
kaliske anlæg de seneste 50 år. Det betyder, at der er et ganske
behov for udvikling og karakterisering af elektrodematerialer til
betydeligt latent udviklingspotentiale, som kan videreudvikle
elektroder, som f.eks. kan fremstilles ved galvanoteknik, pulver-
industrigasanlæggene til energianlæg, hvis det kan aktiveres.
teknik eller keramisk teknik, med levetider på mindst 10 driftsår
F.eks. har DLR i Stuttgart Tyskland for ca.10 år siden vist, at det
ved strømtæthed på op til 400 mA/cm2, driftstemperatur på op
er muligt med avancerede elektroder at opnå en effektivitet på
til 200 ºC og tryk på op til 100 bar. Der er også behov for at op-
95 %, hvor kommercielle anlæg ligger mellem 75 og 85 %. 95 %
timere diaphragma-materialet til en levetid på 10 driftsår med
effektivitet er opnået ved en temperatur på 80 °C, hvilket åbner
samme driftsparametre som for elektrodematerialerne.
muligheden for en yderligere effektivitetsforøgelse ved at forøge
driftstemperaturen.
Elektrolyseanlæg skal udvikles til at arbejde ved forhøjet tryk for
derved at reducere eller eliminere behovet for yderligere kom-
Målsætningen for udvikling af effektivitet, strømtæthed, tempe-
primering af brinten. Det højere tryk stiller især ekstra krav til
ratur, tryk og stakarkitektur er at kunne forbedre disse, således
cellerammer, pakninger og endeplader.
Tabel 6.1 Sammenfatning af mål og indsatsområder for AEC-indsatsen
2009-2010
2011-2013
2014-2018
Elektroder
Kraftforsyning (AC-DC)
Systemstudier, MW-anlæg
Systemstudier, Mikro-anlæg
Elektroder
Systemstudier, MW-anlæg
Elektroder
Rense og tørre processer
Design af elektrolysestak
Modulopbygning
Modulopbygning
Mikro-anlæg
Modulopbygning
MW-anlæg
Stak:
Virkningsgrad: 81 %
Cellespænding:1,82 V
Strømtæthed: 100 mA/cm2
Driftstemperatur: 100 °C
Driftstryk: 15 bar
Virkningsgrad: 88 %
Driftstryk: 30 bar
Virkningsgrad: 95 %
Driftstryk: 100 bar
System:
Virkningsgrad, el til brint: 67 %
Elforbrug: 5,2 kW/Nm3
Virkningsgrad, el til brint +varme: 82 %
Varme: 0,780 kWh/Nm3 brint
30 kW anlæg
Modulopbygning
30 kW – 300 kW anlæg
Mikro-elektrolyseanlæg (10 kW)
Modulopbygning
MW-anlæg
Modulopbygning
Reaktionstid:
Systemet reagerer øjeblikkelig
Forskning
Udvikling
Demonstration
Elektrolysestrategi
19
6.2 Proton Exchange Membrane elektrolysator (PEMEC)
LT-PEMEC teknologien er som sådan demonstreret i små kom-
Udviklingen af højtemperatur PEMEC er i første omgang materia-
mercielle industrianlæg. Teknologien har et stort potentiale for
leudvikling. Der er tale om en ny anvendelse af højtemperatur
forbedringer. Målet for LT-PEMEC udviklingen er at reducere pri-
PEM-celler, der hidtil ikke har været rapporteret i den videnska-
sen for PEM-elektrolyseanlæg, så de kan indgå i det danske VE-
belige litteratur. Som nævnt ovenfor skal der findes nye materia-
energisystem sammen med brændselsceller.
ler til visse komponenter – især iltelektroden. Det er også sandsynligt, at man med fordel kan modificere membranen i forhold
Dette kan opnås gennem en indsats inden for katalysator- og
til den, der anvendes til HT-PEMFC.
elektrode-F&U med det mål at reducere og erstatte brugen af
platinmetaller, inden for udvikling af regenerative elektrolyse-
Efterhånden som materialerne identificeres og optimeres, og de-
celler og udvikling af korrosionstabile gasdiffusionselektroder.
res stabilitet kan eftervises, bør der fremstilles mindre stakke til
Desuden skal PEMFC fremstillingsprocesserne transformeres til
proof of principles, hvorefter teknologien kan videreudvikles til
PEMEC. Udvikling og tilpasning af systemkomponenter (BOP –
demonstrationsniveau og derfra til kommercielle produkter.
balance-of-power) samt effekt- og styringselektronik.
De skitserede udviklinger vil være afhængige af en løbende støtVed en fokuseret indsats på disse områder vil man på forholdsvis
te til forskning og udvikling. Megen viden kan overføres fra de
kort tid kunne skabe grundlaget for en dansk produktion af små
analoge brændselsceller, men der er derudover behov for selv-
LT-PEM anlæg til integrering sammen med PEM-brændselcelle
stændig udvikling, p.g.a. de noget anderledes krav til visse af
kraftvarme-anlæg i forbindelse med vedvarende elproduktion.
materialerne og til drift af systemet.
Tabel 6.2 Sammenfatning af mål og indsatsområder for PEMEC-indsatsen
2009-2010
2011-2013
2014-2018
Polymer elektrolytter
Katalyse- og elektrodematerialer
Elektrodekonfigurationer og processer
for traditionelle og reversible PEMEC
Elektrodekonfigurationer og processer til
reversible PEMEC
MEAer baseret på nye katalysatorer og
elektrolytter til traditionelle og reversible PEMEC
MEAer baseret på nye elektrolytter til
reversible PEMEC
Forskning & udvikling:
Analyse og specifikation af PEM elektrolyse celler og elektrolysesystem (BOP).
Elektrodekonfigurationer og deres
processer
MEAer baseret på eksisterende katalysatorer og elektrolytter.
Korrosionsbestandighed
Stakkomponenter
Systemkomponenter (BOP) til traditionelle og reversible PEMEC
Levetid, degraderingsmekanismer,
kørselsforhold
Reversibel PEMEC stak med driftstryk >
100 Bbr
Systemkomponenter (BOP) til højtryks
reversible PEMEC
Levetid, degraderingsmekanismer,
kørselsforhold
Demonstration:
Elektrolyseceller med virkningsgrad
>80 %
Elektrolyseceller med driftstryk > 30
bar
Elektrolysestakke med virkningsgrad
>80 %
Elektrolysestakke med driftstryk >
30 bar
Elektrolysestakke 1-10 kW
Reversibel PEMEC stak
Kommercielle PEMEC anlæg 1-10 kW
Reversible PEMEC stakke med virkningsgrad >70 %
Elektrolysestakke med driftstryk >100
bar
Elektrolysestrategi
20
6.3 Solid Oxide Electrolysator Cell (SOEC)
Der er stor interesse fra såvel dansk som europæisk industri i
denne teknologi, der endnu kun er demonstreret på laboratorieniveau. Den franske energivirksomhed Areva støtter aktivt
forskning inden for elektrolyse på Risø DTU. Fra dansk side er
❚❚ Konstruktion af prototype-elektrolysesystemer og demonstration af disse
❚❚ Yderligere teknisk og økonomisk modellering bør udføres parallelt med det eksperimentelle arbejde.
Topsoe Fuel Cell A/S og DONG Energy aktive, og forskningen støttes aktivt af EU, ForskEL og Det Strategiske Forskningsråd. I 2009
De største udfordringer for teknologien forventes at ligge i ud-
er den offentlig støttede F&U-indsats på Risø DTU ca. 10 mandår.
viklingen af celler/stakke med lang levetid, der endvidere er
Der er imidlertid behov for en betydelig F&U-indsats, før tekno-
robuste og pålidelige. Den høje driftstemperatur stiller krav til
logiens potentiale kan udnyttes fuldt ud. Specielt er det væsent-
stabiliteten af de materialer, der indgår i celler og stakke såvel
ligt at forbedre elektrodernes holdbarhed. Følgende er vigtige
som i systemets hjælpekomponenter, og anvendelsen af kerami-
indsatsområder:
ske konstruktionsmaterialer, der er mekanisk sprøde af karakter,
❚❚ Præcis identifikation af degraderingsmekanismerne i cellen
stiller store krav til stak- og moduldesign samt til udvikling af
❚❚ Udvikling af celler og celle-stakke med høj holdbarhed
fremstillingsmetoder med god proceskontrol, så fejlraten kan
❚❚ Yderligere undersøgelse af potentialet gennem celle- og stak-
minimeres. Teknologien er beskrevet i detaljer i ForskEL-udred-
test
ningsrapporten ”Pre-Investigation of Water Electrolysis”, og en
❚❚ Udvikling af celler og stakke, der tåler tryksat drift, samt kon-
række artikler12).
struktion af faciliteter til tryksatte celle- og staktest
Tabel 6.3 Sammenfatning af mål og indsatsområder for SOEC-indsatsen
2009-2010
2011-2013
2014-2018
Elektroder / Celler
- 1,25 A/cm2
1,3 V
5 atm
850 °C
Degradering: 2%/1000 timer
Elektroder / Celler / Stak
- 1,5 A/cm2
1,3 V
25 atm
850 °C
Degradering: 1%/1000 timer
Celler / Stak
- 4 A/cm2
1,3 V
50 atm
850 °C
Degradering: 0.5 %/1000 timer
El-EffektivitetHHV: 114%
El-EffektivitetLHV: 98%
Energi-EffektivitetHHV: 97%
Energi-EffektivitetLHV: 83%
(50 % H2O+50 % CO2):
(50 % H2O+50% CO2):
(50 % H2O+50 % CO2):
Elektroder / Celler
- 1,25 A/cm2
1,4 V
5 atm
850 °C
Degradering: 2 %/1000 timer
Elektroder/Celler / Stak
- 1.5 A/cm2
1,4 V
25 atm
850 °C
Celler / Stak / Modul
- 4 A/cm2
1,4 V
50 atm
850 °C
Degradering: 0,5 %/1000 timer
Stak (1 kW)
- 0.5 A/cm2
1,4 V
1 atm
850 ºC
Stak (10 kW)
- 1 A/cm2
1,4 V
5 atm
850 ºC
Stak (100 kW)
- 3 A/cm2
1,4 V
25 atm
850 ºC
Forskning & udvikling:
Vanddamp
elektrolyse
Co-elektrolyse
Demonstration:
12)Jensen, S.H., Larsen. P.H., Mogensen, M., “Hydrogen and synthetic fuel production from renewable energy sources”, Int. J. Hydrogen Energy, 32, p. 3253-3257
(2007); og 2) A. Hauch, S. D. Ebbesen, S. H. Jensen, M. Mogensen, “Highly efficient high temperature electrolysis” Journal of Materials Chemistry, 18 (2008)
2331-2340.
Elektrolysestrategi
21
På billedet fremviser en medarbejder hos Topsoe Fuel Cell et eksempel
på en SOEC-elektrolysator.
Foto: Topsoe Fuel Cell A/S
Figur 6.1 Principskitse af Solid Oxide brændselscelle (A) og Solid Oxide elektrolysator (B)
A
B
SOFC
O2
O2
+
O2-
H2O og/eller CO2
SOEC
O2-
e-
-
H2 og/eller CO
+
H2O og/eller CO2
e-
-
H2 og/eller CO
Principskitse af en reversibel Solid Oxide celle (SOC). En sådan elektrokemisk celle består af en tynd elektrolytbelægning (hvid) med elektroder
på begge sider. Cellen kan enten opereres som en brændselscelle (SOFC -A), der producerer elektricitet på basis af H2 eller CO fra den negative
elektrode og O2 fra den positive elektrode. Når den opereres i den modsatte tilstand som en elektrolysecelle (SOEC - B), bliver elektricitet brugt
med H2 og CO som produkter på basis af H2O og CO2 fra den negative elektrode og O2 fra den positive elektrode. Illustration af Søren Højgaard
Jensen/Risø DTU
Systemudvikling
Indsatsen inden for systemudvikling går i dag imod at reducere
Udviklingen af komplette elektrolysesystemer er en vigtig brik i
energitabet ved kompression af brinten, at reducere omkostnin-
at bringe konkurrencedygtig elektrolyse på markedet. Omkost-
ger ved oprensning af procesvand og den producerede brint, at
ningerne til systemet omkring elektrolysestakken udgør i mange
minimere antallet af pumper, sensorer og ventiler. Herudover er
tilfælde 50-70 % af prisen på det komplette anlæg.
der fokus på udvikling af simpel og billig styring, modulariserede
koncepter og genvinding af varme, hvor dette er relevant. Alle
Systemudviklingen og systemopbygningen inden for de tre elek-
disse tiltag er rettet mod omkostningsreduktion, større pålidelig-
trolyseteknologier har mange ligheder, og den kompetence, der
hed og levetid samt højere virkningsgrad gennem bedst mulig
over de kommende år bliver opbygget på de tidlige markeder, vil
udnyttelse af stakken i den enkelte anvendelse.
derfor komme alle teknologier til gode.
Inden for AEC er målet at reducere stak-priser og volumen til
Udviklingen af elektrolysesystemer har generelt ikke været højt
omtrent det halve af nuværende status inden for de kommende
prioriteret inden for forskning og udvikling i denne sektor, og der
to år. Inden for PEM er målet at udvikle de første testsystemer
ses derfor i dag en lang række meget komplicerede systemer
inden for de kommende et-to år.
på markedet. Enkelte virksomheder og forskningsmiljøer har dog
gjort meget ud af systemudviklingen, og der findes derfor en
Inden for SOEC er målet at opbygge de første koncept testsyste-
række interessante koncepter, som kan udnyttes og videreudvik-
mer inden for de kommende tre år.
les med store fordele.
Elektrolysestrategi
22
7. Finansiering
I det følgende afsnit gives en tentativ opgørelse af behovet for
SOEC
yderligere forsknings-, udviklings- og demonstrationsaktiviteter
Det er visionen at skabe en elektrolyseteknologi, der omkost-
målt i mio. DKK/år for årene 2009-2011. Der vil også i perioden
ningseffektivt kan skaleres til industriel størrelse, så teknologien
efter 2011 være behov for støttede aktiviteter. Omfanget heraf
kan benyttes som en betydende og effektiv byggesten i om-
vil afhænge af udfaldet af revisionen af elektrolysestrategien ul-
lægningen af den danske energisektor med indfasning af stadig
timo 2011.
større mængder fluktuerende produktion fra vedvarende energianlæg og med deraf følgende reduktion af CO2-emission. Denne
omlægning forudsættes at kunne foregå inden for rammerne af
AEC
den eksisterende infrastruktur.
Kontinuerlig forskning og udvikling i mere effektive elektroder,
forbedret stakdesign med højere temperatur og driftstryk, modu-
I perioden 2009-2011 forventer aktørerne at kunne løse aktuelle
lær systemopbygning, samt transformatorløs kraftforsyning m.v.
problemer omkring levetid, at have valgt velegnede materialer
vil nødvendiggøre nedenstående offentlige støtte for i 2018 at
og fremstillingsmetoder samt fastlagt stakdesign, som giver en
kunne nå følgende mål:
forventet pris, der er konkurrencedygtig for et kommercielt pro-
❚❚ 90 % system virkningsgrad ved 400 mA/cm2
dukt. Demonstrationsfasen, hvor anlæg med acceptabel lav de-
❚❚ 100 Bar tryk
graderingsrate er demonstreret henover en periode på et par år,
❚❚ 200 ˚C
vil følge efter 2011.
❚❚ Halvering af prisen på elektrolysestak
Der er gode chancer for, at demonstrationsfasen for SOEC kan bli-
2009-2011
Aktivitet
Yderligere F&U støtte mio. DKK
i perioden
udvikling, test, demo og fremstillingsmetoder
3
ve billigere og hurtigere end sædvanligt for den slags produkter,
idet TOFC sandsynligvis råder over et kommercielt produktionsapparat til fremstilling af celler (SOEC og SOFC forventes at ligne
hinanden). Der er således en god chance for, at ”first mover” i
SOEC-feltet kan blive dansk.
Som følge af den højere elvirkningsgrad og muligheden for at
PEM
konvertere CO2 til syntesegas forventes SOEC at være særlig at-
Udvikling af PEM elektrolyseteknologi vil drage fordel af de eksi-
traktiv til centrale og større decentrale anlæg fra i størrelsesord-
sterende aktiviteter inden for PEM-brændselsceller. PEM-elektro-
nen 100 kW og større.
lyse aktiviteterne vil være fordelt over materiale og komponent
F&U, celle og stakudvikling, systemudvikling og demonstration.
TOFC bruger pt et-to mandår/år på elektrolyse, hvilket skal ses
Ved PEM elektrolyse forstås i udgangspunkt såvel LT-PEM som HT-
i sammenhæng med den meget betydelige brændselscelleind-
PEM. Idet målene for HT-PEM ikke er kvantificeret i denne strategi
sats. Den offentligt støttede indsats (primært hos Risø DTU) for-
bør kun en lille del af det ønskede beløb tilfalde området HT-PEM.
ventes i 2009 at ligge på knap 10 mandår/år (Se projektlisten
❚❚ Indsatsen kan gøre Danmark internationalt førende indenfor
side 24). Fremover vil indsatsen skulle intensiveres, både inden
PEM-elektrolyse
for mandskab og udstyr. Skulle elektrolyseindsatsen stå alene
❚❚ Danne grundlag for en produktion af elektrolyseceller, -stakke
og -systemer
(og ikke lægge sig oven på den store indsats inden for SOFC)
ville omkostningerne skulle være langt større.
❚❚ Implementere PEM-elektrolyse i mikro-kraftvarmeanlæg
❚❚ Reducere elektrolyseanlægspriserne gennem masseproduktion
Aktivitet
2009-2011
Aktivitet
i perioden
2009-2011
i perioden
Eksplorativ
20
Udvikling af materialer og fremstillingsprocesser, test
12,5
Elektrolysestrategi
23
8. Aktuelle danske F & U-projekter
inden for elektrolyse
Aktuelle forskningsprojekter
inden for elektrolyse m.v.
ForskEL-10280:
ForskEL-6287:
jektet, der afsluttes i 2010, samordnes dansk forskning i brint og
Indledende undersøgelse af elektrolyse
elektrolyse med tilsvarende internationale aktiviteter for at opnå
Projektleder: DTU Kemi. Projektet blev afsluttet i 2007, bl.a. med
mest mulig synergi.
IEA Hydrogen Implementing Agreement Task 22 og Task 24
Projektleder: Afdelingen for materialeforskning v/Risø DTU. I pro-
en teknisk redegørelse for elektrolyseteknologierne alkalisk, PEM
og SOEC og en markedsanalyse af store elektrolyseanlæg.
ENS-63011-0200:
2. generations alkalisk elektrolyse
ENS-33032-0144:
Projektleder: HIRC. I projektet, der ventes afsluttet med udgan-
Demonstratorium – Brintsamfundet I Nakskov
gen af 2011, udvikles 2. generations alkalisk elektrolyseanlæg
Projektleder: IRD Fuel Cells. Projektet blev afsluttet i 2007, efter
gennem forskning i effektive elektroder fremstillet ved galvano-
at der var etableret to fuldautomatiske brintbaserede kraftvar-
teknik, plasmasprøjtning og keramisk teknologi.
meenheder på hhv. 2,5 og 7,5 kW med bl.a. elektrolyseenheder
til brint- og iltproduktion.
DSF-2104-04-0011:
New electrode materials for hydrogen production
EU-elektrolyseprojekter
med væsentlig dansk deltagelse:
Projektleder: DTU Fysik. Projektet blev afsluttet I 2008 efter at
have påvist, at billige uorganiske materialer gennem yderligere
WELTEMP:
udvikling formentlig kan blive effektive alternativer til platin som
Water Electorlysis at Elevated Temperatures
PEM-elektrodemateriale.
Projektleder: DTU Kemi. Øvrige danske deltagere Tantalum Technologies A/S og Danish Power Systems A/S. Desuden tjekkiske,
DSF-2104-06-0011:
norske, schweiziske og italienske partnere. Projektet er bevilget
Strategic Electrochemistry Research Center (SERC)
under EU’s 7. rammeprogram og løber til udgangen af 2010. Dets
Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi
strategiske mål er at udvikle materialer, der gør det muligt for
v/Risø DTU. Projektet finansierer et bredt sammensat center, der
PEM-elektrolysatorer at operere ved højere temperaturer, dvs.
frem til udgangen af 2012 skal fokusere på fundamentale aspek-
højere end 120 °C.
ter af elektrokemiske celler til brug i bl.a. elektrolyseanlæg.
www.weltemp.eu
DSF-2104-07-0041:
Relhy:
Center for bæredygtigt brintkredsløb (HyCycle)
Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks
Projektleder: DTU Kemi. Projektet, som ventes afsluttet i 2010,
for Efficient and Reliable Hydrogen Production
vil forbedre fremstilling af brint ved at effektivisere spaltning af
Fransk projektleder med Afdelingen for brændselsceller og fast-
vand ved elektrolyse eller fotokatalyse.
stofkemi v/Risø DTU og Topsoe Fuel Cell A/S som danske deltagere. Øvrige deltagere er tyske, britiske, hollandske og franske.
DSF-2104-07-0058:
Projektet er bevilget under EU’s 7. rammeprogram og løber til
Højtemperatur proton- og blandede ledere til brug
2012. Formålet er at udvikle nye eller optimerede materialer
i brændselsceller og H2 separationsmembraner
med lavere omkostninger for Solid Oxide Electrolysis celler og
udvikle innovative stakdesigns med længere levetider.
v/Risø DTU. Projektet, der er et nordisk-tysk N-INNER samar-
www.relhy.eu
bejdsprojekt, som forventes afsluttet i 2010, vil udvikle proton
ledende og blandede proton-elektron ledende materialer.
ForskEL-10045:
Durable solid oxide electrolysis cells and stacks
v/Risø DTU. I projektet, der forventes afsluttet i 2010, udvikles
omkostningseffektiv højtemperaturelektrolyse baseret på SOEC.
Elektrolysestrategi
24
Appendix A: Aktører inden for
elektrolyseteknologi i Danmark
Aktører i alfabetisk orden
HIRC
Har siden 2005 været meget aktiv omkring undervisning, er-
AAU
hvervsudvikling og projektudvikling inden for alkalisk elektro-
Institut for Energiteknologi (IET). Udvikling af effektelektronik
lyse. I forbindelse med EU projektet ” Regional Markets of RES-
samt systemdesign og modellering af brændselscellesystemer.
Fuel Cell Systems for Households” og BrintDemonstratoriet er der
IET har en indsats på modellering af SOEC elektrolyse systemer.
udviklet en 2 kW alkalisk elektrolysestak.
AU-HIH
H2 Logic A/S
Århus Universitet - Handels- og Ingeniørhøjskolen i Herning har
H2 Logic A/S udvikler hydrogen infrastruktur løsninger bl.a. til
sammen med HIRC gennemført en række studieprojekter om-
optankning af brintbrændstof på forskellige køretøjer. Løsnin-
handlende alkalisk elektrolyse. Kemisk Institut i Århus arbejder
gerne indebærer også brintproduktionsanlæg baseret på AEC og
med udvikling af elektroder med katalytiske overflader.
PEM elektrolyse.
Danish Power Systems
H2 Logic har siden 2006 leveret mere end 10 brint tankstationer i
Er i tæt samarbejde med DTU Kemi om udvikling af HT-PEM elek-
Danmark, foruden leverance af en række hydrogen produktions-
trolyse. Deltager i det nationale Center HyCycle.
anlæg baseret på elektrolyse.
DTU Fysik
HyCycle
Center for Individiual Nanoparticle Functionality og Center for
Centret er et samarbejdsprojekt mellem universiteter og virk-
Atomic-scale Materials Design er blandt verdens førende centre
somheder, der har som målsætning at optimere PEM-elektroly-
inden for forskning i katalysatorer og deres virkemåde. Forsker i
satorer og udvikle fotokatalyse. Centret er støttet af Det Strate-
både elektrolysator- og brændselscellekatalysatorer, bl.a. ikke-
giske Forskningsråds programkomite for bæredygtig energi og
platin baserede katalysatorer. Deltager i det nationale center
miljø og koordineres af DTU Kemi. De øvrige universitetspartnere
HyCycle.
er to forskningscentre under DTU Fysik (CINF og CAMD) samt
Institut for Fysik og Kemi v/SDU og Institut for Kemi-, Bio- og
DTU Kemi
Miljøteknologi v/SDU. De industrielle partnere er IRD Fuel Cells,
Har tidligere arbejdet med det alkaliske system og koordineret
Danish Power Systems
et EU-projekt om en batteri/brændselscelle-hybrid med en me-
Technologies.
og Danfoss-datterselskabet Tantalum
talhydridelektrode og en oxygenelektrode. I den forbindelse blev
der fremstillet oxidbaserede katalysatorer til oxygen processen.
HyFC Academy
I dag koordinerer DTU Kemi et EU projekt og et nationalt projekt,
Forskerskolen Hydrogen and Fuel Cell Academy på Aalborg Uni-
begge om HT-PEMEC.
versitet (AAU) er oprettet i et samarbejde mellem Institut for
Energiteknologi v/AAU, DTU Kemi og Afdelingen for brændsels-
DTU Management
celler og faststofkemi v/Risø DTU. HyFC Academy uddanner for-
Instituttet har stor ekspertise inden for galvanoteknik, som bl.a.
skere inden for bl.a. HT-PEM elektrolysatorer og SOEC-elektrolysa-
anvendes til udvikling af effektive elektroder til alkaliske elek-
torer samt SOEC-konvertering til syntetiske brændsler. En række
trolyseanlæg.
industrielle partnere samarbejder med HyFC Academy: APC Denmark, Danfoss, Dantherm Power, DONG Energy, IRD Fuel Cells og
FORCE Technology
Topsoe Fuel Cell.
Virksomheden har stor ekspertise inden for korrosionsbeskyttelse
og plasmasprøjtning, som bl.a. anvendes til udvikling af effektive
IRD Fuel Cells A/S
elektroder til alkaliske elektrolyseanlæg.
IRD udvikler og producerer celler, stakke og moduler til PEMbrændselsceller samt komplette PEM-brændselscellesystemer og
GreenHydrogen.dk
har som sådan opbygget en betydelig viden og erfaring omkring
Med backup fra HIRC har virksomhederne Dantherm Power, Hol-
PEM-teknologi. IRD deltager i R&D projekter omkring PEM-elek-
lensen Energy, Strandmøllen Industrigas og Nordtec Optomatic
trolyse. IRD vil på kort sigt udvikle og producere PEM-elektro-
stiftet selskabet GreenHydrogen.dk. Selskabet udvikler og produ-
lysatorer til integrering med IRDs PEM-brændselscelle-systemer
cerer sit eget elektrolyseanlæg inkl. stakken og elektroder
Elektrolysestrategi
25
Risø DTU (R&D)
Ved Risø DTU, National Laboratoriet for Bæredygtig Energi, har
der gennem de seneste 15 år kørt betydelige F&U programmer
inden for fastoxid brændselsceller (SOFC). I 2008 andrager denne
indsats godt 60 mandår. Risø er blandt verdens førende inden for
Topsoe Fuel Cells nye produktionsanlæg til SOFC-brændselsceller
dette felt. De seneste godt 5 år har der tillige kørt et udviklings-
skaber meget lovende udsigter for en konkurrencedygtig produk
spor på fastoxid elektrolyse.
tionspris for SOEC-elektrolyseanlæg.
Foto: Poul Møller/Topsoe Fuel Cell
Risø-DTU’s store ekspertise inden for materialer og keramiske
mercialisering af fastoxid brændselsceller i samarbejde med Risø
processer til solid oxide brændselsceller vil også blive anvendt til
DTU. I 2008 passerede TOFC’s indsats 100 mandår/år. TOFC ser
fremstilling af keramiske elektroder til alkalisk elektrolyse.
et potentiale i SOEC teknologien, der på sigt kan overstige SOFC
potentialet. TOFC deltager i SOEC R&D projekter både i Danmark
SDU, Institut for Kemi, Bio- og Miljøteknologi
og i EU regi.
SDU har gennem mere end 25 år forsket inden for elektrokemi
til brændselsceller og batterier, specielt er elektrolyt og elektrodematerialer til PEM-brændselsceller og til SOFC-brændselsceller
undersøgt. Deltager i det nationale center HyCycle.
Potentielle aktører
Strandmølle Industrigas
Strandmøllen har igennem ca. 10 år produceret brint på et 800
Der vil generelt være et stort potentiale for højt specialiserede
kW alkalisk elektrolyseanlæg og har desuden ekspertise inden
underleverandører. Som eksempel kan nævnes udskæring af
for udvikling og opbygning af industrigassystemer.
komponenter (Lasertech). Endelig er der mulige danske aktører
på anlægskomponenter (Danfoss) og systemintegration (Dan-
Topsoe Fuel Cell (RD&D)
foss, Dantherm).
Topsoe Fuel Cell A/S (TOFC) har gennem de seneste 8 år udført et
meget betydeligt arbejde inden for forskning, udvikling og kom-
Elektrolysestrategi
26
Appendix B: Virkningsgrader,
øvre og nedre brændværdi
Når man taler om virkningsgrader i forbindelse med energikon-
bejde, dvs. mekanis- eller elektrisk energi. Dette kaldes den frie
vertering, menes der helt generelt, at virkningsgraden er outpu-
energi og er i de fleste tilfælde lidt mindre end brændværdien
tenergi divideret med inputenergi.
(Her gør det ligeledes en forskel, om vandet kondeseres, se tabel
B.1). Den frie energi angiver den maksimale elektriske energi,
For elektrolyseceller er input den elektriske energi og output den
en brændselscelle teoretisk kan producere (tabsfrit). Dette be-
kemiske energi af brændslet (oftest brint). Den elektriske energi
tyder, at en brintdrevet brændselscelle maksimalt kan have en
er effekt gange tid, d.v.s. produktet af spænding, strøm og tid.
elvirkningsgrad på den frie energi divideret med brændværdien.
For en elektrolysecelle, der har den omvendte proces, findes
Brændværdier
den maksimale virkningsgrad ved at bytte tæller og nævner i
Desværre er der ingen enighed om en fast måde at definere
divisionen, hvorved virkningsgraden bliver over 100 %. Dette
et brændsels energiindhold på. Man anvender gerne enten
forudsætter, at energibidraget over 100 % tilføres som varme.
den øvre eller den nedre brændværdi. Brændværdien er den
Dette er ligeledes modsat af, at man fjerner et varmebidrag fra
mængde varme, der udvikles, hvis brændslet brændes (reage-
en brændselscelle (op til de 100 %).
rer med oxygen). En del af denne varme er i praksis indeholdt
i forbrændingsgassen, der er varmet op, så for at få et entydigt
Virkelige celler
mål defineres brændværdien sådan, at både brændsel, oxygen
Hidtil er processerne forudsat tabsfrie. I virkelige celler er der
og forbrændingsprodukter skal være ved standardtemperaturen,
tab, der for elektrolysecellen medfører, at der skal tilføres eks-
nemlig 25 °C og ved standardtrykket 1 bar.
tra elektrisk energi. D.v.s., at strømmen må tilføres ved en højere spænding. Dette energioverskud omdannes til varme. I en
For alle brændsler, der indeholder hydrogen dannes vand ved for-
brændselscelle medfører tab, at strømmen leveres ved en lavere
brænding. Det påvirker varmeudviklingen, om vandet er konden-
spænding, og her omdannes energiforskellen ligeledes til varme.
seret eller på dampform. Forskellen er fordampningsvarmen, der
er 44 kJ/mol for brint (H2). Den øvre brændværdi (higher heating
Cellespændingen er således et direkte mål for den elektriske
value, HHV) forudsætter, at det dannede vand er kondenseret,
virkningsgrad ved omsætningen i cellen. Eksakt 100 % el-virk-
mens den nedre brændværdi (lower heating value, LHV) forudsæt-
ningsgrad baseret på den øvre brændværdi ville svare til en cel-
ter, at vandet er på dampform. Værdierne for brint ses i tabel B.1.
lespænding på 1,48 V. Selvom dette kun er praktisk mulig for
elektrolyseceller, gælder tallet også for brændselsceller (som en
Der er forskellige meninger om, hvilken brændværdi man skal
hypotetisk værdi til brug ved beregninger). Tilsvarende vil 100
anvende. Man kan sige, at den øvre er mest fundamental, da alle
% elvirkningsgrad baseret på den nedre brændværdi svare til en
stoffer er i deres stabile standardtilstand før og efter processen.
cellespænding på 1,25 V.
Men den nedre brændværdi anvendes ofte, fordi forbrændingsgasserne i mange tilfælde ledes bort uden kondensation. Det er
Det er nu simpelt at bestemme en celles el-virkningsgrad ud
klart, at tallet for virkningsgraden for en elektrolysecelle bliver
fra dens cellespænding. En elektrolysecelle, der producerer ved
størst ved anvendelse af den øvre brændværdi, da brændslet
2,0 V, har virkningsgraden 1,48/2,0 = 74 % baseret på HHV og
(tælleren i divisionen) tillægges størst værdi.
1,25/2,0 = 63 % baseret på LHV.
Fri energi og varme
Omregning mellem de to effektiviteter kan ske ved at gange/
Termodynamikken indebærer, at ved en given forbrændings-
dividere med 1,184.
proces kan der maksimalt udvindes en bestemt portion nyttear-
Tabel B.1 Brændværdi og fri energi for brint
Brint (25°C, 1 bar)
Øvre brændværdi (HHV)
Nedre brændværdi (LHV)
Forbrændingsvarme (ΔH)
- 285,8 kJ/mol H2
- 241,8 kJ/mol H2
Heraf fri energi (ΔG)
- 237,1 kJ/mol H2
- 228,6 kJ/mol H2
Maksimal el-virkningsgrad (brændselscelle)
83 %
95 %
Maksimal el-virkningsgrad (elektrolysecelle)
121 %
106 %
Cellespænding ved 100 % elvirkningsgrad
(konverteringseffektivitet)
1,48 V
1,25 V
Note: ved beregning af virkningsgrader ses bort fra fortegnet på energierne, da de udelukkende er fastlagt efter, om energien forbruges eller dannes ved processen
Elektrolysestrategi
27

Elektrolyse i Danmark - Partnerskabet for brint og brændselsceller

Transcription

Similar documents

Elektrolytisk mærkning Halvautomatisk

Læs hele artiklen i Gasenergi nr. 5 2015 her

og andre luftarter

Bilag - Den Danske Maritime Fond

Det periodiske system - 4.

10. juni 2013 – ordinært møde

1 Funktionsbeskrivelse Den ny PTA og Proceschef bliver ansvarlig

Hvad kan jeg blive? - Danmarks Tekniske Universitet

Sanders rollemodel anklaget for fusk (Foto: AllO

Bayesian Community Detection

Gener fra maden går lige i blodet

Verdens bedste til økonomisk kørsel

please follow this link for the official invitation

Atomvåbenproduktion i USA Af Holger Terp, Fredsakademiet Det

Forlagsadresser