Elektrolyse i Danmark

Transkript

1 Strategi for F,U & D Elektrolyse i Danmark El til øjeblikkelig forbrug Brint til distribution eller produktion af syntetiske brændsler EL H2 H2 El til almindeligt elforbrug. El til elmotorer i brintbiler Netbalancering med fleksibelt elforbrug H2 EL Stationær eller mobil Partnerskabet for Brint og Brændselsceller August

2 Indhold Resume Indledning Formål Teknologier til elektrisk transport Elektrolysemarkedet på langt sigt 3.2. Elektrolysemarkedet på kortere sigt 4. Teknologier Generelt 4.2. Karakteristika for de enkelte teknologier 5. Udviklingspotentialet for teknologien Aktører 5.2. Konkurrenter 6. Mål og indsatsområder Finansiering Aktuelle danske F&U-projekter inden for elektrolyse Appendix A: Aktører inden for elektrolyseteknologi i Danmark Appendix B: Virkningsgrader, øvre og nedre brændværdi Elektrolyse i Danmark, Strategi for F, U & D er udgivet af en arbejdsgruppe under Partnerskabet Brint og Brændselsceller i Danmark, august 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: Redaktionel bearbejdelse: journalist Steen Hartvig Jacobsen, Kommunikationsbureauet Rubrik Layout: MONTAGEbureauet Aps Elektrolysestrategi 2

3 Resume Strategien omfatter de tre elektrolyseteknologier: alkalisk elektrolyse (AEC), PEM elektrolyse (PEMEC) og fastoxid-elektrolyse (SOEC). brændsler kan lagres, så det kan anvendes enten til energiproduktion, f.eks. el og varme, eller til transportformål. Elektrolyse kan på flere måder bidrage til at forøge andelen af vedvarende energi i det samlede energisystem. Via selve elektrolyseprocessen kan elektrolyse bidrage med regulerkraft/lastudjævning i elnettet, medens elektrolysens slutprodukt brint og syntetiske Pris og virkningsgrad er de to vigtigste parametre, når det fremtidige potentiale for elektrolyseteknologi skal vurderes. Det er et mål for den danske indsats, at der fra 2020 kan produceres brændsler via 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. Foto. H2 Logic Udsnit af et brintanlæg fra H2 Logic, baseret på alkalisk elektrolyse. Anvendte forkortelser Tekniske: AEC: Alkalisk elektrolyse CHP: Combined Heat and Power DME: Dimethylether HHV: Øvre brændværdi HT-PEMEC: Høj-temperatur PEMEC LHV: Nedre brændværdi LSM: Lantan-strontium-manganat LT-PEMEC: Lav-temperatur PEMEC PE: Polyethylen PEM: Proton Exchange Membrane PEMEC: Proton Exchange Membrane elektrolysator 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 Organisationer: AAU : Aalborg Universitet AU-HIH : Århus Universitet Handels- og Ingeniørhøjskolen i Herning DTU : Danmarks Tekniske Universitet ECN : The Energy Research Centre of the Netherlands HIRC: Hydrogen Innovation & Research Centre IEA: International Energy Agency IRD: IRD Fuel Cells A/S OECD: Organisation for Economic Co-operation and Development TOFC: Topsoe Fuel Cell A/S Elektrolysestrategi 3

4 1. Indledning Elektrolyse af vand er grundlæggende en kendt teknologi, men metoden har hidtil ikke vundet stor udbredelse, da brintfremstilling ved reformering af fossile brændsler, typisk naturgas, hidtil har været billigere. De politiske mål om at reducere udslip af drivhusgasser, fremme uafhængigheden af fossile brændsler og øge andelen af vedvarende energi kan imidlertid medføre, at rammevilkårene ændres til gunst for elektrolyse af vand. Meget På billedet til venstre ses GreenHydrogens elektrolyseanlæg. Kassen med den blå fronstside rummer selve elektrolysator-stakken, mens brintdelen har rød farve, og iltdelen er hvid. På billedet til højre fremviser en medarbejder ved Danish Power Systems en PEMECmembran og polymere tråde. Foto: GreenHydrogen.dk Foto: Danish Power Systems tyder på, at elektrolyse på sigt kan komme til at spille en vigtig rolle i energikonvertering i forbindelse med øget anvendelse af vedvarende energi. De to væsentligste faktorer, der også er de centrale indsatsområder for denne strategi, er dels elsystemets stigende behov for regulerkraft/lastudjævning, hvor behovet allerede nu er påtrængende, dels behovet for at kunne producere brændsler, særligt til transportsektoren (brint/syntetiske brændsler), der via konvertering af et overskud af VE elektricitet ikke medfører udslip af CO 2. Regeringen fremlagde den 19. januar 2007 sin langsigtede energipolitik i En visionær energipolitik 2025, der efterfølgende blev udmøntet i energiaftalen af 21. februar ), hvori der bl.a. sættes som mål at udfase anvendelsen af fossile brændsler og forøge andelen af vedvarende energi. Baggrunden for energiaftalen er ønsket om at begrænse CO 2 -udledningen, at skabe energiforsyningsmæssig uafhængighed af politisk ustabile nationer samt at skabe erhvervsmæssigt potentiale for øget eksport af energiteknologi. Elektrolyseteknologierne understøtter alle disse politiske målsætninger. EU s Klima- og Energipakke, der blev endeligt vedtaget af Rådet i december 2008, indeholder tilsvarende politiske mål som den danske energiaftale 2). Med en øget andel af fluktuerende vedvarende energi i form af vind-, sol- og bølgeenergi vil behovet for energikonvertering fra elektricitet til andre energiformer øges. På den ene side fordi der 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 investeret store ressourcer i den etablerede energiinfrastruktur, som derfor bør søges udnyttet så effektivt som muligt. Desuden er der i transportsektoren et stort behov for brændsel med høj energitæthed, herunder for eksempel syntetiske brændstoffer. En anseelig del af transportarbejdet vil formentlig kunne baseres på elbiler, hvor en væsentlig del af elbehovet produceres ved hjælp af brændselceller om bord i køretøjet. 1) /Graphics/Energipolitik/dansk_energipolitik/Energistrategi2025/Praesentation_Energistrategi_190107_Endelig.pdf 2) Elektrolysestrategi 4

5 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 Partnerskabet for Brint og Brændselsceller med undervikling. - Foto: H2 Logic Vestforsyning er et af de elselskaber, der har involveret sig I den danske brintudgrupper inden for bl.a. brint og brændselsceller til transportformål. et ForskEL-projekt ( ) i 2008 udarbejdet udredningsrapporten Pre-Investigation of Water Electrolysis. I rapporten Brændselsceller er i dag et meget aktivt forsknings- og udviklingsområde i Danmark, og de forskellige teknologier har nået argumenteres for, at det er nødvendigt at accelerere forskningset stade, hvor demonstrationsprojekter og kommercielle nichemarkeder er aktuelle. Der har derimod ikke hidtil været samme og udviklingsarbejdet med elektrolyse. 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 alkaliske elektrolysator har været anset for mere eller mindre færdiglysecellen). Med den accelererede forsknings- og udviklingsind- driftstemperatur og direkte fremstilling af syntesegas i elektroudviklet, 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 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 elektrolyseaktiviteter. For at belyse state-of-the-art på elektrolyseområdet samt de tekniske muligheder for dels at videreudvikle, dels at indpasse teknologien, har DTU Kemi, Risø DTU og DONG Energy som led i 3) /Graphics/Publikationer/Energiforskning/Brintteknologier_juni_2005/index.htm Elektrolysestrategi 5

6 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, identificerer ønskede tiltag og giver enkelte anbefalinger om F, U & D Strategien skal bidrage til at synliggøre og målrette den fortsatte udvikling af danske kompetencer inden for elektrolyse Offentlige finansieringskilder kan bruge strategien til at prioritere de offentlige midler i den nationale indsats inden for udvikling og demonstration af elektrolyse Danske virksomheder samt forsknings- og udviklingsinstitutioner kan anvende strategien til at målrette anvendelsen af deres ressourcer på områder, der bidrager mest effektivt til at fremme danske styrkepositioner inden for komponenter og systemløsninger Strategien skal endvidere medvirke til at synliggøre den langsigtede danske indsats og de danske kompetencer med henblik på at tiltrække internationale samarbejdspartnere til virksomheder og vidensmiljøer i Danmark Regioner, vækstfora og kommuner kan bruge strategien som støtte til at prioritere indsatsen og at koordinere med andre regioner, vækstfora, kommuner og virksomheder, så der opnås størst mulig nytteværdi af de anvendte ressourcer Strategien kan lette en koordinering af den danske indsats med den internationale indsats på området, både i europæisk og øvrig international sammenhæng. Elektrolysestrategi 6

7 3. Teknologier til elektrisk transport Den danske elektrolysestrategi har til formål at sikre det fremtidige behov for elektrolyse på energimarkedet, herunder både regulerkraft og konvertering til syntetiske brændstoffer som brint og syntetisk naturgas. På et senere tidspunkt kan det blive relevant at inddrage elektrolysens potentiale i andre industrielle sammenhæng. Det globale marked for elektrolyse til anvendelse på energiområdet, 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. Ved formuleringen af målsætningerne for virkningsgraden for elektrolyseanlæg er der i denne elektrolysestrategi anvendt øvre brændværdi (HHV) hvis ikke andet er anført. Appendix B (side 27) forklarer begreberne virkningsgrad og brændværdi (øvre: HHV, nedre LHV) og deres sammenhæng inden for elektrolyse. To Risø DTU medarbejdere ved en af Risø DTUs elektrolyse-teststande. 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/ tønde og 1040 DKK/tønde (hhv. 50 og 200 USD/tønde). Foto: Risø DTU Figur 3.1 Prisudvikling for de tre elektrolyseteknologier sammenlignet med brint produceret ved reformering af naturgas 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 Prisudvikling, Brintproduktion DKK/Nm 3 H2 Reforming (260 DKK/bbl OE) + distribution Reforming (1040 DKK/bbl OE) + distribution SOEC (storskala) PEM EC (lille skala) AEC (1 MW) 2,00 0, Elektrolysestrategi 7

8 3.1. Elektrolysemarkedet på langt sigt Markedet for elektrolyse til energiformål, der betragtes som langsigtet, er svært at kvantificere præcist, da det er et nyt marked. Der findes ikke relevant historisk markedsinformation, og markedets størrelsesorden kvantificeres bedst via scenarie-analyse. De elementer, der indgår i sådanne scanarie-analyser, er bl.a. følgende: Netbalancering, hvor elektrolyse og lagring af brændsel f. eks. kan kombineres med en brændselscellegenerator for at udjævne belastnings- eller produktionsprofiler Forsyning af lokale brintnet, f.eks. til mikro-chp og tankstationer for køretøjer. Indfødning af brint eller syntetisk naturgas på naturgasnettet, så eksisterende infrastruktur udnyttes Produktion af syntetisk brændstof med høj energitæthed (metanol, DME, synfuels etc) via højtemperaturelektrolyse (SOEC) Generel anvendelse af brint (og ilt) fra elektrolyse til at forøge virkningsgraden i biomasse-forgasning samt nyttiggørelse af CO 2. Produktion af andre syntetiske stoffer på langt sigt (Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) og andre typer plastik). Der er et vist overlap mellem disse markedssegmenter. Men selv når der tages højde for disse overlap, vil der, som det fremgår af de efterfølgende opgørelser, på sigt være et stort potentielt marked for elektrolyseteknologi til energiformål. Elektrolyse til indpasning af VE elektricitet I Danmark kan der som led i opfyldelsen af regeringens målsætning om 30 % VE i ) forventes installeret op mod 6700 MW vindmøllekapacitet 4). For at kunne indpasse elproduktionen fra så stor en vindmøllekapacitet under hensyntagen til døgn- og årsvariationen i elforbruget, vil der være et behov for tekniske løsninger til energilagring/netbalancering, selv når der tages højde for mulighederne for at udjævne ved hjælp af import/ eksport af el. I rapporten om effektiv anvendelse af vindkraftbaseret el i Danmark fra marts ) er der regnet på en referencesituation i 2025 med 6700 MW vindmøllekapacitet uden brug af virkemidler til energilagring/netbalancering. I en sådan referencesituation for 2025 vil der være et kritisk eloverløb på 90 GWh/år. Rapporten fokuserer primært på varmepumper og elbiler som virkemidler til at forebygge det kritiske eloverløb, men hvis udviklingen af elektrolyseteknologier bliver så succesfuld, at 10 % af netbalanceringen kan dækkes af elektrolyse, giver det en installeret elektrolyseeffekt på 400 MW, svarende til et marked på ca. 2 mia. DKK i perioden frem til Behovet for energilagring/netbalancering (installeret elektrolyseeffekt o.a. teknologier) bliver større på længere sigt i forbindelse med implementeringen af regeringens langsigtede målsætning om, at 100 % af energiforbruget skal dækkes af VE, jfr. regeringens En visionær energipolitik ) En visionær energipolitik ) Rapporten Effektiv anvendelse af vindkraftbaseret el i Danmark kan downloades fra 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

9 Elektrolyse til transportbrændstoffer Hvis brint eller andre elektrolysebaserede brændsler bliver indført generelt i transportsektoren, vil der alene i Danmark være et teoretisk markedspotentiale på ca MW installeret effekt 5). Med en forudsætning om at brændselscelle-batteri hybrider dækker 33 % af transportarbejdet, hvoraf 30 % er brændselscellebaseret, vil omtrent 10 % af dette potentiale kunne udmøntes. Dette svarer til 400 MW installeret effekt i Danmark svarende til yderligere ca. 2 mia. DKK. Elektrolyse til kraftvarme brændstof Hvis brint eller syntetisk naturgas (SNG) skal benyttes til kraftvarme, vil det også forudsætte en øget anvendelse af elektrolyse. Tages der udgangspunkt i, at 25 % lokal kraftvarme erstattes med brint- eller SNG baseret mchp, svarer dette til 600 MW installeret effekt eller et markedspotentiale på godt 3 mia. DKK 6). Forudsættes indfasning af teknologien over 5-10 år samt et europæisk marked, der er 30 gange større end det danske, vil alene ét af de 3 ovennævnte anvendelsesområder skabe et europæisk marked for elektrolyse på mia. DKK/år. Elektrolyse til syntetiske brændstoffer med høj energitæthed Fremstilling af metanol og andre flydende brændsler er en yderligere mulighed med elektrolyse (Figur 3.4 side 10). Den nuværende markedsværdi af verdens metanolproduktion er ca. 75 mia. DKK/år 7) Værdien af verdens ethanolproduktion er i størrelsesordenen 150 mia. DKK/år 8), mens værdien af andre flydende brændstoffer overstiger mia. DKK/år. Med den merværdi, som elektrolyse kan skabe i forbindelse med forgasning af biomasse, virker et langsigtet verdensmarked for denne type elektrolyseprodukter på over 375 mia. DKK/år ikke urimeligt optimistisk. Infrastruktur Typisk regnes levetiden af infrastruktur i vores energiforsyningssystem for at være mindst 30 år, og den eksisterende infrastruktur er derfor en faktor, der har indflydelse på de samfundsøkonomiske beregningsforudsætninger for nye energiteknologier som elektrolyse over en tidshorisont, der ligger væsentlig ud over Derfor indgår den infrastruktur, der allerede er etableret i Danmark, som en væsentlig del af de forudsætninger, der ligger til grund for de ovennævnte scenarier Elektrolysemarkedet på kortere sigt Fokus på vedvarende energi og langsigtede forsyningsmæssige hensyn skaber i dag en stærkt voksende interesse i en lang række lande for for at kunne lagre elektricitet, og denne interesse baner vej for demonstrationsprojekter inden for de relevante teknologier. I Danmark er der to elektrolyse anlæg i drift 9) i forbindelse med brint til transport. Tre andre projekter er installeret/under installation i forbindelse med Samsø Energiakademi, H2College i Herning og Brintbyen i Vestenskov på Lolland 10). Et nyt elektrolyseanlæg er netop besluttet opført og sat i drift på Grønland. Udfordringen for disse projekter er, at elektrolyse og lagringsdelen 5) Teknologisk Instituts rapport Lagring af brint i højtryksbeholdere (ForskEL-projekt 5776) 6) EFP-projekt CanDan UPS og NT brændselscelle systemudvikling and pilot test (ENS ) 7) Ifølge 8) Ifølge 9) samt rapport fra Elforsk-projekt , der kan downloades fra 10) og 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) Andre Bølgekraft/tidevand Geotermi Biomasse/affald Sol: Koncentreret solenergi (CSP) Sol: Solceller (PV) Vindkraft Vandkraft Kilde: IEA s Energy Technology Perspectives 2008, Blue Scenario, OECD/IEA, Paris, 2008 Elektrolysestrategi 9

10 er væsentligt dyrere komponenter end brændselscellerne i det samlede anlæg. I Nordamerika og andre lande planlægges en lang række projekter, hvor små lokalsamfund bliver forsynet med vedvarende energi fra vindmøller eller vandkraft, og hvor ubalancer i udbud og efterspørgsel bliver udlignet via lagring i brint. På demonstrationsmarkedet er der fokus på virkningsgrad og pris, men der er samtidig en forståelse for, at teknologien kræver yderligere udvikling, før den er konkurrencedygtig på virkningsgrad og pris, og at de nødvendige demonstrationsprojekter derfor har brug for en særlig støtte. Figur 3.6 side 11 illustrerer markedsintroduktion af dansk elektrolyse, hvor der startes fra tidlig demonstration af brintsamfundet med begrænsede krav til virkningsgrad som den første fase. Introduktionen går derefter via tidlige markeder såsom fjerntliggende samfund med moderate krav til virkningsgrad frem mod de store markeder inden for produktion af biobrændsler, transportbrændstof og netbalancering, hvor virkningsgrad er altafgørende for, at elektrolyse kan bidrage til et effektivt energisystem. Brint anvendes i dag i en lang række nicher i procesindustrien. Markedet for elektrolyse til denne brintproduktion er i størrelsesordenen 310 mio. DKK/år på verdensplan. Dette marked er karakteriseret af en lav prisfølsomhed og moderate krav til virkningsgrad, men indkøberne har stor fokus på holdbarhed og pålidelighed, da disse anlæg anvendes i industrielle miljøer som meget små dele af store produktionsanlæg. Dette marked vurderes at være en velegnet introduktion for nyudviklede elektrolyseteknologier, hvor danske virksomheder har potentiale for at kunne etablere sig, fordi det er et nichemarked præget af moderat konkurrence og høj indtjening. Barriererne for markedsindtrængning Figur 3.4 Anvendelse af elektrolyseprodukter til forøgelse af virkningsgrad i biomasse forgasning Biomasse Vand ilt Biomasse syngas Elektrolyse forgasning Syntese Naturgas/ flydende biobrændsel Brint Brint fra elektrolysen anvendes til justering af sammensætningen af syntesegas fra forgasseren, så syntesegassen kan udnyttes langt mere effektivt. Ilt fra elektrolysen kan eliminere behov for kryogent iltanlæg. Dermed fordobles den mængde biobrændstof, der kan dyrkes på de forhåndenværende arealer, og CO 2 emissionen og anlægsinvesteringen reduceres. Figur 3.5 Forventet vækst i biomasse til flydende brændstof (BtL), hvor elektrolyse kan fordoble potentialet 35 Exajoules (EJ) Mtoe Millioner hektar Biodiesel: Biomass to Liquid (BtL) Biodiesel: Vegatabilsk olie (Fischer-Tropsch m.v.) Bioethanol fra cellulose Bioethanol fra sukker Bioethanol fra korn Kilde: IEA s Energy Technology Perspectives 2008, Blue Scenario, OECD/IEA, Paris, 2008 Elektrolysestrategi 10

11 vurderes som begrænsede, da den etablerede elektrolyseindustri hverken er stærk eller protektionistisk. Brændselscelleteknologien er i dag stærkt på vej på markedet i kraft af konkurrencedygtige priser på flere nichemarkeder. Synergien mellem elektrolyse og brændselsceller kan skabe hurtigere produktmodning og markedsintroduktion for elektrolyse og gensidig forøgelse af markedsvolumen. kapitalberedskab, samt at der på langt sigt findes et meget stort markedspotentiale for elektrolyse. Demonstrationsmarkedet for elektrolyse til energiformål er på vej til at blive etableret og forventes at vokse væsentligt i de kommende år. Dermed er der et meget interessant vækstmarked for den danske satsning inden for elektrolyse. 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 CO 2 via elektrolyse VE elektricitet Vand CO 2 SOEC syngas Syntese Bioplastik/ flydende biobrændsler CO 2 udvundet fra røggas mv, f.eks. med anvendelse af CCS-teknologier, kan bruges som et råstof i en SOEC elektrolysator Elektrolysestrategi 11

12 4. Teknologier 4.1. Generelt Elektrolyse er en proces, hvor man ved hjælp af elektricitet fremstiller nye forbindelser. Når elektrolyse anvendes i forbindelse med vedvarende energi, bruges processen sædvanligvis til fremstilling af brint eller syntesegas. Den praktiske udformning af elektrolyseprocessen kan være meget forskellig, men er baseret på en elektrolysecelle med to elektroder. Stoffet eller stofferne, der skal omdannes, tilføres elektrolysecellen i takt med tilførslen af elektricitet. Elektriciteten tilføres som jævnstrøm med en spænding tilpasset antallet af elektrolyseceller i elektrolysestakken. De forventede generelle fordele ved de elektrolyseanlæg, som skal udvikles og demonstreres, er relateret til: belægninger. Katalysatorerne kan være ædle eller ikke ædle metaller. Elektrolytten er en ca. 25 % vandig opløsning af KOH (kaliumhydroxyd). Brint og ilt adskilles i cellerne af et diaphragma/ membran, der er gennemtrængelig for vand og hydroxyl ioner, men samtidig gastæt. Forøgelse af driftstemperaturen fra de i dag normalt anvendte 80 til over 200 C kan forøge el-effektiviteten for anlæggene ganske betydeligt, ligesom højt driftstryk på stakken vil forøge systemeffektiviteten, idet energiforbruget til den efterfølgende komprimering reduceres. Den forsknings- og udviklingsmæssige udfordring er at sikre den nødvendige materialestabilitet for elektroder, diaphragmer og pakninger. Der er identificeret brugbare materialer, som ikke er dyrere end de materialer, der anvendes ved 80 C, men der mangler langtidstest (flere år) til at eftervise deres kommercielle anvendelighed. Høj virkningsgrad Miljøvenlig, ingen forurening eller CO 2 udledning Modulær opbygning, der kan tilpasses central eller decentral el-produktion Kort responstid, systemet kan bidrage til belastningsudjævning ved hurtige og store variationer i elsystemets belastning Høj effekttæthed (~1 MW/m 3 brint) Partnerskabet for Brint og Brændselsceller har besluttet at prioritere følgende elektrolyseteknologier i strategidokumentet: Alkalisk elektrolyse PEM elektrolyse Solid Oxide elektrolyse Den alkaliske teknologi er pga. sin prisbillighed anvendelig til alle størrelser anlæg. Lige fra de helt små kw anlæg, der anvendes sammen med husstands CHP anlæg til 100 MW store anlæg til netbalancering. Den maksimale stakstørrelse er i dag på 3,4 MW. PEM elektrolyse (PEMEC) PEM-elektrolysecellen minder principielt om PEM-brændselscellen (PEMFC) og væsentlige dele af de senere års tekniske landvindinger inden for PEMFC kan også bruges til PEM-elektrolyseanlæg. En PEM-elektrolysecelle er opbygget omkring en polymerelektrolytmembran (PEM), der er i umiddelbar kontakt med to gasdifussionelektroder, der udvikler henholdsvis ilt og brint Karakteristika for de enkelte teknologier Alkalisk elektrolyse (AEC) Alkalisk elektrolyse repræsenterer en moden teknologi til on site produktion af brint til industrielle processer. For at en dansk udviklet AEC-teknologi skal kunne konkurrere med eksisterende teknologier/brændsler på energimarkedet, og for at kunne konkurrere med leverandører af konventionel AEC-teknologi er det nødvendigt at videreudvikle teknologien, så effektiviteten øges og anlægsprisen reduceres, for derved at reducere anlægs- og driftsomkostninger. Anode- og katode-elektroderne i alkaliske elektrolyseanlæg er typisk fremstillet af nikkel eller forniklet stål påført katalytiske Elektrolytmembranen er som regel en perfluoreret polysulfonsyre ionbytter membran eksemplificeret ved produktet Nafion, der er standardelektrolytten i den analoge brændselscelle. Elektrolytmembranens egenskaber bestemmer anlæggets driftstemperatur. Lav-temperatur PEMEC (LT-PEMEC) har driftstemperaturer på C, og høj-temperatur PEMEC (HT-PEMEC) vil have driftstemperaturer på C. Katalysatoren på begge gasdiffusionselektroder er platin eller ædelmetal legeringer. Der, hvor PEM-elektrolysecellen adskiller sig tydeligst fra PEM-brændselscellen, er på iltelektroden, som udover katalysatoren må fremstilles af andre materialer end kulstof eller rustfrit stål, der er standard i PEMFC. Grunden til dette er, at elektrolyseceller har en højere cellespænding end brændselsceller. Gasddiffusionsdelen af elektroden fremstilles derfor af korrosionsbestandige materialer som f.eks. titan. Elektrolytmem- Elektrolysestrategi 12

13 branen gør det sammen med de metalbaserede, porøse gasdiffusionselektroder muligt at fremstille rent brint under højt tryk. PEM elektrolyseanlæg, der fremstiller brint ved 350 bar, er under udvikling. Status for kommercialisering af teknologien er, at små PEMEC anlæg til industrielle formål findes på markedet. Teknologien er endnu ikke så etableret som AEC, men flere firmaer, der sælger alkaliske elektrolyseanlæg, markedsfører også PEM elektrolyseanlæg. Selvom PEMEC kun kendes fra små anlæg, er der ikke noget i teknologien, der vil forhindre opbygning af store anlæg. Anlæg i MW størrelse baseret på PEM teknologi bruges til fremstilling af klor, brint og natriumhydroxid i klor/alkali-industrien. Fastoxid-elektrolyse (SOEC, Solid Oxide Electrolyser Cell) SOEC er som udgangspunkt den samme celle som den, der er udviklet som SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). SOEC er udviklingsmæssigt ikke så langt som alkalisk og PEM elektrolyse, men teknologien rummer et spændende potentiale i form af højere virkningsgrad og mulighed for at udnytte CO 2 som råstof til produktion af syntetisk naturgas. Cellen består af to elektroder på hver side af en tynd ilt-ionledende elektrolyt. Til både elektroder og elektrolyt anvendes keramiske materialer de to porøse elektroder er typisk lavet af henholdsvis nikkel/ysz (yttria-stabiliseret zirkonia) og YSZ/ LSM (lanthan-strontium-manganat), mens elektrolytten normalt består af YSZ. Der arbejdes endvidere med alternative materialer til begge elektroder med det formål at forbedre ydelse og holdbarhed. For at opnå praktiske anlægsstørrelser og en passende arbejdsspænding stables cellerne mellem elektrisk ledende interconnectplader, der fremstilles i ferritisk rustfrit stål pålagt en beskyttende belægning. Driftstemperaturen er C og det er eftervist, at cellen kan anvendes til både elektrolyse af vanddamp (H 2 O) og CO 2 med høj produktionshastighed og høj virkningsgrad. Ved kombineret H 2 O- og CO 2 -elektrolyse dannes syntesegas (H 2 og CO), som kan omdannes til syntetiske brændsler ved hjælp af eksisterende katalyseteknologi. Af syntetiske brændsler kan nævnes metan (syntetisk naturgas SNG), metanol, dimethylether (DME), benzin og diesel. Tabel 4.1 Karakteristika for de tre elektrolyseteknologier Temperatur AEC PEMEC SOEC ºC standard. Potentiale for ºC ºC standard ºC udvikles ºC Tryk 32 bar i stor skala industrianlæg Potentiale for højt tryk ( bar) p.g.a. fast elektrolyt El-virkningsgrad (HHV) 75-85% ved 0,2 A/cm 2 11), Potentiale for 85-95% Udviklingsstade Kommerciel til industrigasproduktion. Potentiale for udvikling til energianlæg % ved 1,0 A/cm 2, 100 % ved 0,2 A/cm2 Kommerciel til industrigasproduktion. Potentiale for udvikling til energianlæg. Begyndende kommercielt (HT-PEMEC på forsøgstadiet) Potentiale for højt tryk (100 bar) pga. fast elektrolyt 90 % ved 1 3 A/cm 2 (termoneutral). Hvis varme tilføres kan den blive over 100 % af tilført el. Under udvikling Pris for anlæg Relativt lav, grundet materialer Sammenlignelig med AEC (små anlæg) Langsigtet potentiale for meget billige anlæg pga. materialer og høj effekttæthed Maksimalt demonstreret stakstørrelse 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/cm 2 er en værdi for strømtætheden Elektrolysestrategi 13

14 5. Udviklingspotentialet for teknologien AEC Den alkaliske teknologi anvendes i dag kommercielt udelukkende til produktion af brint til industriformål. Derudover er der et spirende marked for demonstrationsanlæg som H2Logic og GreenHydrogen.dk har leveret til i Danmark. Der er tilbage i tiden bygget anlæg på over 100 MW i forbindelse med kunstgødningsfabrikker. Hvis den del af den tilførte elektricitet, der ikke omsættes til brintproduktion, kan udnyttes til varme, kan den samlede energivirkningsgrad blive ganske høj, over 95 %. Også helt små anlæg på et par kw til on site forsyning af små CHP anlæg og optankning af lette køretøjer, kan af prismæssige årsager med fordel anvende alkalisk teknologi. Nye stakdesign især anvendeligt til små anlæg har potentiale for at reducere prisen på elektrolysestakken med %. I Danmark er udviklingen af PEM elektrolyse især koncentreret hos DTU Kemi og IRD. En af aktiviteterne er at udvikle en højtemperatur PEMEC-celle med udgangspunkt i samme teknologi som for højtemperatur PEMFC. Det første trin er at vælge et passende bærermateriale til iltelektroden og vise, at det er stabilt i det relevante interval af temperatur og cellepotential. En anden af aktiviteterne er at udvikle lavtemperatur PEMECanlæg med udgangspunkt i erfaringerne fra PEMFC. I den forbindelse er der indledt samarbejde med ECN i Holland og canadiske firmaer, der regnes blandt de førende PEMEC-aktører. Der er etableret samarbejde indenlands i form af et forskningscenter (HyCycle) og internationalt i form af dansk deltagelse i et EU-projekt under 7. rammeprogram (WELTEMP). I Danmark er udviklingen af AEC især koncentreret hos HIRC, Risø DTU og GreenHydrogen.dk. PEMEC De eksisterende PEMEC anlæg demonstrerer allerede en del af potentialet i PEM teknologien i form af kompakte, simple og sikre anlæg, der producerer tryksat brint. Den slags enheder er f.eks. under demonstration i Nakskov i forbindelse med 1-2 kw PEMFC-kraftvarmeenheder. Overskudsvarmen fra sådanne PEMEC enheder vil umiddelbart kunne bruges sammen med varmen fra PEMFC-kraftvarmeenhederne. SOEC En af de specifikke fordele ved SOEC sammenlignet med konventionel elektrolyseteknologi er dens evne til at lave kombineret H 2 O- og CO 2 -elektrolyse og dermed muligheden for at lave billig syntetisk (ikke-fossilt) brændsel til f.eks. transportsektoren. Elektrolyseprocesssen er varmeforbrugende (endoterm). Dette og den høje driftstemperatur betyder, at der (stort set) ikke produceres spildvarme, hvilket giver en meget høj virkningsgrad betydeligt højere end for lavtemperatur-elektrolyse. Den høje temperatur bevirker også, at der kan anvendes relativt billige elektrode- og elektrolytmaterialer (ingen ædelmetaller). Der er et udviklingspotentiale, som aktørerne vurderer vil føre til en generel reduktion af fabrikationsomkostningerne og forøgelse af virkningsgraden. Udviklingen forventes dels drevet af den rivende udvikling på PEMFC-området, dels af et selvstændigt udviklingsspor. Lavere materialeomkostninger kan opnås ved brug af PEMFC resultater inden for nye elektrolytmembraner samt fra nye ikke-platin metalholdige katalysatormaterialer, der p.t. er under udvikling til lavtemperatur PEMEC. Øget virkningsgrad forventes bl.a. at kunne opnås ved øget driftstemperatur. De gode resultater med højtemperatur PEMFC lover godt for dette udviklingsspor. Det forventes ikke på kort sigt, at højtemperaturcellerne vil blive helt termoneutrale, som det er muligt med SOEC, men i kraft af, at overskudsvarmen produceres ved temperaturer mellem 150 og 200 ºC, vil den kunne anvendes til dampfremstilling eller sendes ud i fjernvarmenettet, hvorved den samlede virkningsgrad kan blive meget høj. Udvikling af regenerative brændselsceller, hvor elektrolyse og brændselscellefunktion foregår i samme celle, har ligeledes potentiale for reduktion af fabrikations- og driftsomkostninger. Yderligere forøgelse af virkningsgraden og forbedring af økonomien kan opnås ved at tryksætte SOEC. Tryksætningen kan opnås ved fordampning af højtryks fødevand (flydende) vha. lavkvalitetsvarme og forventes derfor at være billig sammenlignet med andre tryksætningsmetoder. Den høje driftstemperatur og et højt tryk gør det muligt at integrere den videre katalyse af syntesegassen til syntetisk brændsel i ét system. Det er vist at state-of-the-art SOFC celler er reversible, og disse er således et godt udgangspunkt for udviklingen af SOEC-celler. For en dansk satsning inden for området er det således en fordel, at udviklingen kan bygge videre på den store kompetence, der findes i Danmark på SOFC-området. Her har der de seneste 20 år været satset kraftigt såvel inden for grundlæggende F&U som inden for udvikling af billige produktionsmetoder og moduludvikling, og der findes i Danmark egentlige anlæg til produktion af celler. Denne F&U-indsats der i takt med, at teknologien nærmer sig det kommercielle marked, er øget betragteligt inden for de seneste 5 år har i 2008 et omfang af 160 mandår/år (i Elektrolysestrategi 14

15 Danmark) fordelt på både forskningsinstitutioner (især Risø DTU) og virksomheder (især Topsoe Fuel Cell A/S). elektrolyse på mange års erfaring med HT-PEM brændselsceller og på mange års grundlæggende forskning inden for katalysatormaterialer til brændsels- og elektrolyseceller Aktører Det danske miljø inden for elektrolyse har i løbet af det seneste par år udviklet sig til at bestå af særdeles lovende aktører målt i forhold til den internationale konkurrence. Risø og Topsoe Fuel Cell har haft succes med forskningen indenfor SOEC og har opnået den hidtil højeste ydelse ved høje virkningsgrader, GreenHydrogen.dk er blevet etableret som systemudvikler baseret på et yderst kompetent konsortium af virksomheder og enkeltpersoner, der er startet med at optimere alkalisk elektrolyse, IRD bygger udviklingen af PEM elektrolyse på mange års erfaring med PEM brændselsceller. DTU Kemi bygger udviklingen af HTPEM De danske aktører indenfor elektrolyse dækker samlet i store træk den komplette værdikæde for et elektrolysesystem. Samtidig har de danske aktører tilsammen kompetencer inden for alle teknologier og vil dermed kunne skabe konkurrencedygtige løsninger på grundlag af det aktuelle teknologiniveau, og de er i besiddelse af en meget lovende portefølje af nye teknologier og optimeringsmuligheder, som giver løfter om, at danske aktører kan erobre en central position inden for elektrolyse. I nedenstående figur 5.1 er delsystemerne (værdikæden) i et elektrolysesystem illustreret. 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

16 De eksisterende danske hovedaktører kan indplaceres i disse delsystemer som følger: Celler: Risø DTU (SOEC, AEC) DTU Kemi (PEMEC) Danish Power Systems (PEMEC) Topsoe Fuel Cell (SOEC) IRD (PEMEC) DTU Institut for Planlægning Innovation og Ledelse (AEC) FORCE Technology (AEC) Elektrolysestak: Risø DTU (SOEC, AEC) DTU Kemi (PEMEC) Topsoe Fuel Cell (SOEC) IRD (PEMEC) GreenHydrogen.dk (AEC) HIRC (AEC) Elektrolysemodul: IRD (PEMEC) GreenHydrogen.dk (AEC) Elektrolysesystem: GreenHydrogen.dk H2 Logic IRD (PEMEC) Som det fremgår af aktørlisten, er alle aspekter dækket fra tidlig F&U på universiteter og ved forskningsinstitutioner over industriel modning af stakke og stakkomponenter til industriel produktion og markedsføring. En mere udførlig liste over aktører og mulige aktørers kompetencer er anført i appendiks A side Konkurrenter Ny elektrolyseteknologi vil konkurrere med eksisterende elektrolyse samt i markeder, hvor elektrolysen kan substituere anden teknologi. Substitution af anden teknologi er en meget kompleks problemstilling, og en markedsanalyse heraf kræver meget brede kompetencer og bør udredes i detaljer på uvildig vis. I det følgende vil der for markeder, hvor elektrolysen kan substituere anden teknologi, være medtaget en kort oplistning af de væsentligste konkurrerende teknologier. Når det gælder regulerkraft/lastudjævning i elsystemet er de konkurrerende teknologier: trykluftslagring, centrale varmepumper i fjernvarmenettet, individuelle varmepumper, elbiler, eksport af el til udlandet og store batterier 4). Når det gælder brint og syntetiske brændsler til transportsektoren er de konkurrerende teknologier: fossile brændsler/forbedret motorteknologi, elbiler, syntetiske brændsler og 2. generations biobrændstoffer. Konkurrencen på markedet for elektrolyse er bestemt af, at der p.t. er to store spillere, Norsk Hydro og Hydrogenics, som tilsammen sidder på omtrent 70 % af verdensmarkedet. Det aktuelle marked er karakteriseret ved høj pris baseret på meget traditionel teknologi med fokus på det industrielle marked. Konkurrencen defineres derfor nærmere ved konkurrerende klynger, som på sigt satser på at angribe energimarkedet på tilsvarende vis som den danske klynge. Følgende klynger kan i dag defineres, med nedennævnte karakteristika: Bortset fra FORCE Technology er alle aktører i forvejen repræsenteret inden for brændselscelleklyngen i Danmark. Synergierne mellem udvikling og produktion af elektrolyseceller og brændselsceller er meget store for PEMEC og SOEC, da der skal anvendes samme discipliner og samme produktionsapparater. Synergierne mellem udvikling og markedsføring af elektrolysesystemer og brændselscellesystemer er ligeledes meget store, da koncepterne er de samme, og det er samme marked teknologierne rettes imod. Canada I Canada har der i mange år eksisteret en klynge med store kompetencer inden for elektrolyse. Specielt i Toronto-området, hvor Hydrogenics er den største spiller, men hvor flere små virksomheder har vist interessante resultater. Kompetencen udspringer af konventionel alkalisk elektrolyse, men de seneste år har der også været arbejdet intensivt med PEM-elektrolyse. Miljøet i Toronto må betegnes som et af verdens stærkeste på såvel konventionel alkalisk elektrolyse som PEM-elektrolyse. Klyngen indenfor elektrolyse i Danmark er dermed særdeles stærk og kan med afsættet i brændselscelleteknologien erobre en internationalt ledende position på kort tid. Italien I Italien findes en række elektrolysevirksomheder, som har ganske effektive og billige alkaliske elektrolyseapparater til salg som 4) Rapporten Effektiv anvendelse af vindkraftbaseret el i Danmark kan downloades fra 6FB8F834-77C8-4BA7-9AD4-07AFE2A09AB2/0/SamspilmellemvindkraftudvekslingsforbindelservarmpumperogelbilerResume.pdf Elektrolysestrategi 16

17 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, som tilbyder lovende produkter. Virksomhederne 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). Canada har et af de stærkeste udviklingsmiljøer i verden inden for PEM og alkalisk elektrolyse. Foto viser canadisk teknologi i et demonstrationsprojekt på Lolland. 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 generelt baseret på enkeltvirksomheder, og deres nuværende for at udnytte de billige produktionsmuligheder i Ural, hvor fabrikken 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 udviklingspotentialet i den enkelte virksomhed. Kun i Tyskland er der af anlæggene. identificeret en klynge med bredde og teknologiske kompetencer på niveau med den danske klynge. Dertil kommer, at det Kina 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

18 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 sikre stabile markedsforhold og øge fleksibiliteten for elproduktionen. Et test-setup for et PEM EC-anlæg, der afprøves hos Danish Power Systems i samarbejde med DTU Kemi. 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 øge fleksibiliteten i elsystemet. Foto: Danish Power Systems Projekter inden for følgende indsatsområder kan således støttes i det omfang, de lever op til de ovennævnte kriterier: Alkalisk elektrolyse PEM elektrolyse Solid Oxide elektrolyse Indsatsområderne bør fokusere på optimering af følgende forhold: Virkningsgrad Miljøvenlighed: ingen forurening eller CO 2 udledning Skalerbarhed (modulær opbygning) og driftsikkerhed Responstid (til brug for lastudjævning i el-systemet) Effekttæthed Anlægslevetid Det vil især være inden for elektrode- og elektrolytudvikling, der tilsammen udgør elektrolysecellen, at basisteknologierne vil udvikle sig forskelligt, medens udvikling af gasbehandling, kraftforsyning, komprimering og oplagring kan ske mere tværgående. Elektrolysesystemer generelt Elektrolysesystemer kan generelt set betragtes som et produktionsanlæg, der tilføres råstoffer i form af elektricitet, vand og evt. CO 2 (for SOEC). De produkter, der leveres fra anlægget, er brint eller syntesegas, ilt, varme samt regulerkraft og reaktiv effekt til balancering af elnettet. Det er vigtigt at tage alle produkterne i betragtning, da biprodukterne kan bidrage ganske betydeligt til driftsøkonomien. Kraftforsyningen, der forsyner elektrolyseanlægget med elektricitet fra elnettet, bør kunne belaste nettet såvel kapacitivt som induktivt og dermed reducere nettabene. Brinten/syntesegassen skal afhængig af anvendelse opfylde visse krav til renhed, vandindhold og tryk. Gasbehandling i form af rensning og måske komprimering vil være energikrævende. Det er derfor vigtigt, at der gøres en indsats for at øge effektiviteten. Elektrolysestrategi 18

19 6.1 Alkalisk elektrolyse (AEC) Markedet for elektrolyseanlæg til energiformål bliver helt anderledes end det eksisterende industrimarked, fordi brinten på energimarkedet er slutproduktet. Derfor er det afgørende at kunne udvikle lavprisanlæg, der kan producere brint til omkostninger, som sætter brint i stand til at konkurrere på energimarkedet som en bærer af vedvarende energi. Flere udenlandske forskningsinstitutter har allerede vist, at det er muligt at opnå virkningsgrader på 95 %. På grund af den ringe konkurrence på markedet for industriel brint er der stort set ikke sket nogen teknologiudvikling af alkaliske anlæg de seneste 50 år. Det betyder, at der er et ganske betydeligt latent udviklingspotentiale, som kan videreudvikle industrigasanlæggene til energianlæg, hvis det kan aktiveres. F.eks. har DLR i Stuttgart Tyskland for ca.10 år siden vist, at det er muligt med avancerede elektroder at opnå en effektivitet på 95 %, hvor kommercielle anlæg ligger mellem 75 og 85 %. 95 % effektivitet er opnået ved en temperatur på 80 C, hvilket åbner muligheden for en yderligere effektivitetsforøgelse ved at forøge driftstemperaturen. Målsætningen for udvikling af effektivitet, strømtæthed, temperatur, tryk og stakarkitektur er at kunne forbedre disse, således at prisen pr. produceret Nm 3 brint reduceres væsentlig. Stakdesign skal forbedres mht. flow af elektrolyt, brint og ilt, korrosion, lækstrømme, materialeforbrug, stakvolumen, egnethed for masseproduktion og pris. Det såkaldte non zero gap koncept har potentiale for at reducere prisen på stakken til en tredjedel af prisen på traditionelle alkaliske elektrolysestakke. Jo mere avancerede elektrodebelægningerne bliver jo større strømtæthed, og ikke mindst jo højere driftstemperaturer jo vanskeligere er det at opnå levetider på op til 20 år, som kende tegner konventionelle alkaliske elektrolyseanlæg. Der er således behov for udvikling og karakterisering af elektrodematerialer til elektroder, som f.eks. kan fremstilles ved galvanoteknik, pulverteknik eller keramisk teknik, med levetider på mindst 10 driftsår ved strømtæthed på op til 400 ma/cm 2, driftstemperatur på op til 200 ºC og tryk på op til 100 bar. Der er også behov for at optimere diaphragma-materialet til en levetid på 10 driftsår med samme driftsparametre som for elektrodematerialerne. Elektrolyseanlæg skal udvikles til at arbejde ved forhøjet tryk for derved at reducere eller eliminere behovet for yderligere komprimering af brinten. Det højere tryk stiller især ekstra krav til cellerammer, pakninger og endeplader. Tabel 6.1 Sammenfatning af mål og indsatsområder for AEC-indsatsen Forskning Elektroder Kraftforsyning (AC-DC) Systemstudier, MW-anlæg Systemstudier, Mikro-anlæg Elektroder Kraftforsyning (AC-DC) Systemstudier, MW-anlæg Elektroder Kraftforsyning (AC-DC) Udvikling Rense og tørre processer Design af elektrolysestak Modulopbygning Rense og tørre processer Design af elektrolysestak Modulopbygning Mikro-anlæg Rense og tørre processer Design af elektrolysestak Modulopbygning MW-anlæg Demonstration Stak: Virkningsgrad: 81 % Cellespænding:1,82 V Strømtæthed: 100 ma/cm 2 Driftstemperatur: 100 C Driftstryk: 15 bar System: Virkningsgrad, el til brint: 67 % Elforbrug: 5,2 kw/nm 3 Virkningsgrad, el til brint +varme: 82 % Varme: 0,780 kwh/nm 3 brint 30 kw anlæg Modulopbygning Virkningsgrad: 88 % Cellespænding:1,68 V Strømtæthed: 200 ma/cm 2 Driftstemperatur: 100 C Driftstryk: 30 bar Virkningsgrad, el til brint: 80 % Elforbrug: 4,4 kw/nm 3 Virkningsgrad, el til brint +varme: 90 % Varme: 0,453 kwh/nm 3 brint 30 kw 300 kw anlæg Mikro-elektrolyseanlæg (10 kw) Modulopbygning Virkningsgrad: 95 % Cellespænding:1,56 V Strømtæthed: 400 ma/cm 2 Driftstemperatur: 200 C Driftstryk: 100 bar Virkningsgrad, el til brint: 90 % Elforbrug: 3,9 kw/nm 3 Virkningsgrad, el til brint +varme: 95 % Varme: 0,175 kwh/nm 3 brint MW-anlæg Modulopbygning Reaktionstid: Systemet reagerer øjeblikkelig Systemet reagerer øjeblikkelig Systemet reagerer øjeblikkelig Elektrolysestrategi 19

20 6.2 Proton Exchange Membrane elektrolysator (PEMEC) LT-PEMEC teknologien er som sådan demonstreret i små kommercielle industrianlæg. Teknologien har et stort potentiale for forbedringer. Målet for LT-PEMEC udviklingen er at reducere prisen for PEM-elektrolyseanlæg, så de kan indgå i det danske VEenergisystem sammen med brændselsceller. Dette kan opnås gennem en indsats inden for katalysator- og elektrode-f&u med det mål at reducere og erstatte brugen af platinmetaller, inden for udvikling af regenerative elektrolyseceller og udvikling af korrosionstabile gasdiffusionselektroder. Desuden skal PEMFC fremstillingsprocesserne transformeres til PEMEC. Udvikling og tilpasning af systemkomponenter (BOP balance-of-power) samt effekt- og styringselektronik. Ved en fokuseret indsats på disse områder vil man på forholdsvis kort tid kunne skabe grundlaget for en dansk produktion af små LT-PEM anlæg til integrering sammen med PEM-brændselcelle kraftvarme-anlæg i forbindelse med vedvarende elproduktion. Udviklingen af højtemperatur PEMEC er i første omgang materialeudvikling. Der er tale om en ny anvendelse af højtemperatur PEM-celler, der hidtil ikke har været rapporteret i den videnskabelige litteratur. Som nævnt ovenfor skal der findes nye materialer til visse komponenter især iltelektroden. Det er også sandsynligt, at man med fordel kan modificere membranen i forhold til den, der anvendes til HT-PEMFC. Efterhånden som materialerne identificeres og optimeres, og deres stabilitet kan eftervises, bør der fremstilles mindre stakke til proof of principles, hvorefter teknologien kan videreudvikles til demonstrationsniveau og derfra til kommercielle produkter. De skitserede udviklinger vil være afhængige af en løbende støtte til forskning og udvikling. Megen viden kan overføres fra de analoge brændselsceller, men der er derudover behov for selvstændig udvikling, p.g.a. de noget anderledes krav til visse af materialerne og til drift af systemet. Tabel 6.2 Sammenfatning af mål og indsatsområder for PEMEC-indsatsen Forskning & udvikling: Analyse og specifikation af PEM elektrolyse celler og elektrolysesystem (BOP). Polymer elektrolytter Katalyse- og elektrodematerialer Polymer elektrolytter Katalyse- og elektrodematerialer Elektrodekonfigurationer og processer for traditionelle og reversible PEMEC Polymer elektrolytter Katalyse- og elektrodematerialer Elektrodekonfigurationer og processer til reversible PEMEC Elektrodekonfigurationer og deres processer MEAer baseret på eksisterende katalysatorer og elektrolytter. Korrosionsbestandighed Stakkomponenter MEAer baseret på nye katalysatorer og elektrolytter til traditionelle og reversible PEMEC Systemkomponenter (BOP) til traditionelle og reversible PEMEC Levetid, degraderingsmekanismer, kørselsforhold MEAer baseret på nye elektrolytter til reversible PEMEC 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

21 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 Topsoe Fuel Cell A/S og DONG Energy aktive, og forskningen støttes aktivt af EU, ForskEL og Det Strategiske Forskningsråd. I 2009 er den offentlig støttede F&U-indsats på Risø DTU ca. 10 mandår. Der er imidlertid behov for en betydelig F&U-indsats, før teknologiens potentiale kan udnyttes fuldt ud. Specielt er det væsentligt at forbedre elektrodernes holdbarhed. Følgende er vigtige indsatsområder: Præcis identifikation af degraderingsmekanismerne i cellen Udvikling af celler og celle-stakke med høj holdbarhed Yderligere undersøgelse af potentialet gennem celle- og staktest Udvikling af celler og stakke, der tåler tryksat drift, samt konstruktion af faciliteter til tryksatte celle- og staktest Konstruktion af prototype-elektrolysesystemer og demonstration af disse Yderligere teknisk og økonomisk modellering bør udføres parallelt med det eksperimentelle arbejde. De største udfordringer for teknologien forventes at ligge i udviklingen af celler/stakke med lang levetid, der endvidere er robuste og pålidelige. Den høje driftstemperatur stiller krav til stabiliteten af de materialer, der indgår i celler og stakke såvel som i systemets hjælpekomponenter, og anvendelsen af keramiske konstruktionsmaterialer, der er mekanisk sprøde af karakter, stiller store krav til stak- og moduldesign samt til udvikling af fremstillingsmetoder med god proceskontrol, så fejlraten kan minimeres. Teknologien er beskrevet i detaljer i ForskEL-udredningsrapporten Pre-Investigation of Water Electrolysis, og en række artikler 12). Tabel 6.3 Sammenfatning af mål og indsatsområder for SOEC-indsatsen Forskning & udvikling: Vanddampelektrolyse Elektroder / Celler - 1,25 A/cm 2 1,3 V 5 atm 850 C Degradering: 2%/1000 timer Elektroder / Celler / Stak - 1,5 A/cm 2 1,3 V 25 atm 850 C Degradering: 1%/1000 timer Celler / Stak - 4 A/cm 2 1,3 V 50 atm 850 C Degradering: 0.5 %/1000 timer El-Effektivitet HHV : 114% El-Effektivitet LHV : 98% Energi-Effektivitet HHV : 97% Energi-Effektivitet LHV : 83% Co-elektrolyse (50 % H 2 O+50 % CO 2 ): El-Effektivitet HHV : 114% El-Effektivitet LHV : 98% Energi-Effektivitet HHV : 97% Energi-Effektivitet LHV : 83% (50 % H 2 O+50% CO 2 ): El-Effektivitet HHV : 114% El-Effektivitet LHV : 98% Energi-Effektivitet HHV : 97% Energi-Effektivitet LHV : 83% (50 % H 2 O+50 % CO 2 ): Elektroder / Celler - 1,25 A/cm 2 1,4 V 5 atm 850 C Degradering: 2 %/1000 timer Elektroder/Celler / Stak A/cm 2 1,4 V 25 atm 850 C Degradering: 1 %/1000 timer Celler / Stak / Modul - 4 A/cm 2 1,4 V 50 atm 850 C Degradering: 0,5 %/1000 timer Demonstration: El-Effektivitet HHV : 105% El-Effektivitet LHV : 97% Energi-Effektivitet HHV : 98% Energi-Effektivitet LHV : 90% Stak (1 kw) A/cm 2 1,4 V 1 atm 850 ºC Degradering: 2 %/1000 timer El-Effektivitet HHV : 105% El-Effektivitet LHV : 97% Energi-Effektivitet HHV : 98% Energi-Effektivitet LHV : 90% Stak (10 kw) - 1 A/cm 2 1,4 V 5 atm 850 ºC Degradering: 2 %/1000 timer El-Effektivitet HHV : 105% El-Effektivitet LHV : 97% Energi-Effektivitet HHV : 98% Energi-Effektivitet LHV : 90% Stak (100 kw) - 3 A/cm 2 1,4 V 25 atm 850 ºC Degradering: 1 %/1000 timer 12) Jensen, S.H., Larsen. P.H., Mogensen, M., Hydrogen and synthetic fuel production from renewable energy sources, Int. J. Hydrogen Energy, 32, p (2007); og 2) A. Hauch, S. D. Ebbesen, S. H. Jensen, M. Mogensen, Highly efficient high temperature electrolysis Journal of Materials Chemistry, 18 (2008) Elektrolysestrategi 21

22 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 SOFC B SOEC O 2 O 2- + O 2 + O 2- e - e - H 2 O og/eller CO 2 - H 2 og/eller CO H 2 O og/eller CO 2 - H 2 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 H 2 eller CO fra den negative elektrode og O 2 fra den positive elektrode. Når den opereres i den modsatte tilstand som en elektrolysecelle (SOEC - B), bliver elektricitet brugt med H 2 og CO som produkter på basis af H 2 O og CO 2 fra den negative elektrode og O 2 fra den positive elektrode. Illustration af Søren Højgaard Jensen/Risø DTU Systemudvikling Udviklingen af komplette elektrolysesystemer er en vigtig brik i at bringe konkurrencedygtig elektrolyse på markedet. Omkostningerne til systemet omkring elektrolysestakken udgør i mange tilfælde % af prisen på det komplette anlæg. Systemudviklingen og systemopbygningen inden for de tre elektrolyseteknologier har mange ligheder, og den kompetence, der over de kommende år bliver opbygget på de tidlige markeder, vil derfor komme alle teknologier til gode. Udviklingen af elektrolysesystemer har generelt ikke været højt prioriteret inden for forskning og udvikling i denne sektor, og der ses derfor i dag en lang række meget komplicerede systemer på markedet. Enkelte virksomheder og forskningsmiljøer har dog gjort meget ud af systemudviklingen, og der findes derfor en række interessante koncepter, som kan udnyttes og videreudvikles med store fordele. Indsatsen inden for systemudvikling går i dag imod at reducere energitabet ved kompression af brinten, at reducere omkostninger ved oprensning af procesvand og den producerede brint, at minimere antallet af pumper, sensorer og ventiler. Herudover er der fokus på udvikling af simpel og billig styring, modulariserede koncepter og genvinding af varme, hvor dette er relevant. Alle disse tiltag er rettet mod omkostningsreduktion, større pålidelighed og levetid samt højere virkningsgrad gennem bedst mulig udnyttelse af stakken i den enkelte anvendelse. Inden for AEC er målet at reducere stak-priser og volumen til omtrent det halve af nuværende status inden for de kommende to år. Inden for PEM er målet at udvikle de første testsystemer inden for de kommende et-to år. Inden for SOEC er målet at opbygge de første koncept testsystemer inden for de kommende tre år. Elektrolysestrategi 22

23 7. Finansiering I det følgende afsnit gives en tentativ opgørelse af behovet for yderligere forsknings-, udviklings- og demonstrationsaktiviteter målt i mio. DKK/år for årene Der vil også i perioden efter 2011 være behov for støttede aktiviteter. Omfanget heraf vil afhænge af udfaldet af revisionen af elektrolysestrategien ultimo AEC Kontinuerlig forskning og udvikling i mere effektive elektroder, forbedret stakdesign med højere temperatur og driftstryk, modulær systemopbygning, samt transformatorløs kraftforsyning m.v. vil nødvendiggøre nedenstående offentlige støtte for i 2018 at kunne nå følgende mål: 90 % system virkningsgrad ved 400 ma/cm Bar tryk 200 C Halvering af prisen på elektrolysestak Aktivitet Yderligere F&U støtte mio. DKK i perioden udvikling, test, demo og fremstillingsmetoder 3 SOEC Det er visionen at skabe en elektrolyseteknologi, der omkostningseffektivt kan skaleres til industriel størrelse, så teknologien kan benyttes som en betydende og effektiv byggesten i omlægningen af den danske energisektor med indfasning af stadig større mængder fluktuerende produktion fra vedvarende energianlæg og med deraf følgende reduktion af CO 2 -emission. Denne omlægning forudsættes at kunne foregå inden for rammerne af den eksisterende infrastruktur. I perioden forventer aktørerne at kunne løse aktuelle problemer omkring levetid, at have valgt velegnede materialer og fremstillingsmetoder samt fastlagt stakdesign, som giver en forventet pris, der er konkurrencedygtig for et kommercielt produkt. Demonstrationsfasen, hvor anlæg med acceptabel lav degraderingsrate er demonstreret henover en periode på et par år, vil følge efter Der er gode chancer for, at demonstrationsfasen for SOEC kan blive 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. PEM Udvikling af PEM elektrolyseteknologi vil drage fordel af de eksisterende aktiviteter inden for PEM-brændselsceller. PEM-elektrolyse aktiviteterne vil være fordelt over materiale og komponent F&U, celle og stakudvikling, systemudvikling og demonstration. Ved PEM elektrolyse forstås i udgangspunkt såvel LT-PEM som HT- PEM. Idet målene for HT-PEM ikke er kvantificeret i denne strategi bør kun en lille del af det ønskede beløb tilfalde området HT-PEM. Indsatsen kan gøre Danmark internationalt førende indenfor PEM-elektrolyse Danne grundlag for en produktion af elektrolyseceller, -stakke og -systemer Implementere PEM-elektrolyse i mikro-kraftvarmeanlæg Reducere elektrolyseanlægspriserne gennem masseproduktion Aktivitet Yderligere F&U støtte mio. DKK i perioden Udvikling af materialer og fremstillingsprocesser, test 12,5 Som følge af den højere elvirkningsgrad og muligheden for at konvertere CO 2 til syntesegas forventes SOEC at være særlig attraktiv til centrale og større decentrale anlæg fra i størrelsesordnen 100 kw og større. TOFC bruger pt et-to mandår/år på elektrolyse, hvilket skal ses i sammenhæng med den meget betydelige brændselscelleindsats. Den offentligt støttede indsats (primært hos Risø DTU) forventes i 2009 at ligge på knap 10 mandår/år (Se projektlisten side 24). Fremover vil indsatsen skulle intensiveres, både inden for mandskab og udstyr. Skulle elektrolyseindsatsen stå alene (og ikke lægge sig oven på den store indsats inden for SOFC) ville omkostningerne skulle være langt større. Aktivitet Yderligere F&U støtte mio. DKK i perioden Eksplorativ 20 Elektrolysestrategi 23

24 8. Aktuelle danske F & U-projekter inden for elektrolyse Aktuelle forskningsprojekter inden for elektrolyse m.v. ForskEL-6287: Indledende undersøgelse af elektrolyse Projektleder: DTU Kemi. Projektet blev afsluttet i 2007, bl.a. med en teknisk redegørelse for elektrolyseteknologierne alkalisk, PEM og SOEC og en markedsanalyse af store elektrolyseanlæg. ENS : Demonstratorium Brintsamfundet I Nakskov Projektleder: IRD Fuel Cells. Projektet blev afsluttet i 2007, efter at der var etableret to fuldautomatiske brintbaserede kraftvarmeenheder på hhv. 2,5 og 7,5 kw med bl.a. elektrolyseenheder til brint- og iltproduktion. DSF : New electrode materials for hydrogen production Projektleder: DTU Fysik. Projektet blev afsluttet I 2008 efter at have påvist, at billige uorganiske materialer gennem yderligere udvikling formentlig kan blive effektive alternativer til platin som PEM-elektrodemateriale. DSF : Strategic Electrochemistry Research Center (SERC) Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi v/risø DTU. Projektet finansierer et bredt sammensat center, der frem til udgangen af 2012 skal fokusere på fundamentale aspekter af elektrokemiske celler til brug i bl.a. elektrolyseanlæg. ForskEL-10280: IEA Hydrogen Implementing Agreement Task 22 og Task 24 Projektleder: Afdelingen for materialeforskning v/risø DTU. I projektet, der afsluttes i 2010, samordnes dansk forskning i brint og elektrolyse med tilsvarende internationale aktiviteter for at opnå mest mulig synergi. ENS : 2. generations alkalisk elektrolyse Projektleder: HIRC. I projektet, der ventes afsluttet med udgangen af 2011, udvikles 2. generations alkalisk elektrolyseanlæg gennem forskning i effektive elektroder fremstillet ved galvanoteknik, plasmasprøjtning og keramisk teknologi. EU-elektrolyseprojekter med væsentlig dansk deltagelse: WELTEMP: Water Electorlysis at Elevated Temperatures Projektleder: DTU Kemi. Øvrige danske deltagere Tantalum Technologies A/S og Danish Power Systems A/S. Desuden tjekkiske, norske, schweiziske og italienske partnere. Projektet er bevilget under EU s 7. rammeprogram og løber til udgangen af Dets strategiske mål er at udvikle materialer, der gør det muligt for PEM-elektrolysatorer at operere ved højere temperaturer, dvs. højere end 120 C. DSF : Center for bæredygtigt brintkredsløb (HyCycle) Projektleder: DTU Kemi. Projektet, som ventes afsluttet i 2010, vil forbedre fremstilling af brint ved at effektivisere spaltning af vand ved elektrolyse eller fotokatalyse. DSF : Højtemperatur proton- og blandede ledere til brug i brændselsceller og H 2 separationsmembraner Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi v/risø DTU. Projektet, der er et nordisk-tysk N-INNER samarbejdsprojekt, som forventes afsluttet i 2010, vil udvikle proton ledende og blandede proton-elektron ledende materialer. Relhy: Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks for Efficient and Reliable Hydrogen Production Fransk projektleder med Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi v/risø DTU og Topsoe Fuel Cell A/S som danske deltagere. Øvrige deltagere er tyske, britiske, hollandske og franske. Projektet er bevilget under EU s 7. rammeprogram og løber til Formålet er at udvikle nye eller optimerede materialer med lavere omkostninger for Solid Oxide Electrolysis celler og udvikle innovative stakdesigns med længere levetider. ForskEL-10045: Durable solid oxide electrolysis cells and stacks Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi v/risø DTU. I projektet, der forventes afsluttet i 2010, udvikles omkostningseffektiv højtemperaturelektrolyse baseret på SOEC. Elektrolysestrategi 24

25 Appendix A: Aktører inden for elektrolyseteknologi i Danmark Aktører i alfabetisk orden AAU Institut for Energiteknologi (IET). Udvikling af effektelektronik samt systemdesign og modellering af brændselscellesystemer. IET har en indsats på modellering af SOEC elektrolyse systemer. HIRC Har siden 2005 været meget aktiv omkring undervisning, erhvervsudvikling og projektudvikling inden for alkalisk elektrolyse. I forbindelse med EU projektet Regional Markets of RES- Fuel Cell Systems for Households og BrintDemonstratoriet er der udviklet en 2 kw alkalisk elektrolysestak. AU-HIH Århus Universitet - Handels- og Ingeniørhøjskolen i Herning har sammen med HIRC gennemført en række studieprojekter omhandlende alkalisk elektrolyse. Kemisk Institut i Århus arbejder med udvikling af elektroder med katalytiske overflader. H2 Logic A/S H2 Logic A/S udvikler hydrogen infrastruktur løsninger bl.a. til optankning af brintbrændstof på forskellige køretøjer. Løsningerne indebærer også brintproduktionsanlæg baseret på AEC og PEM elektrolyse. Danish Power Systems Er i tæt samarbejde med DTU Kemi om udvikling af HT-PEM elektrolyse. Deltager i det nationale Center HyCycle. H2 Logic har siden 2006 leveret mere end 10 brint tankstationer i Danmark, foruden leverance af en række hydrogen produktionsanlæg baseret på elektrolyse. DTU Fysik Center for Individiual Nanoparticle Functionality og Center for Atomic-scale Materials Design er blandt verdens førende centre inden for forskning i katalysatorer og deres virkemåde. Forsker i både elektrolysator- og brændselscellekatalysatorer, bl.a. ikkeplatin baserede katalysatorer. Deltager i det nationale center HyCycle. DTU Kemi Har tidligere arbejdet med det alkaliske system og koordineret et EU-projekt om en batteri/brændselscelle-hybrid med en metalhydridelektrode og en oxygenelektrode. I den forbindelse blev der fremstillet oxidbaserede katalysatorer til oxygen processen. I dag koordinerer DTU Kemi et EU projekt og et nationalt projekt, begge om HT-PEMEC. DTU Management Instituttet har stor ekspertise inden for galvanoteknik, som bl.a. anvendes til udvikling af effektive elektroder til alkaliske elektrolyseanlæg. FORCE Technology Virksomheden har stor ekspertise inden for korrosionsbeskyttelse og plasmasprøjtning, som bl.a. anvendes til udvikling af effektive elektroder til alkaliske elektrolyseanlæg. GreenHydrogen.dk Med backup fra HIRC har virksomhederne Dantherm Power, Hollensen Energy, Strandmøllen Industrigas og Nordtec Optomatic stiftet selskabet GreenHydrogen.dk. Selskabet udvikler og producerer sit eget elektrolyseanlæg inkl. stakken og elektroder HyCycle Centret er et samarbejdsprojekt mellem universiteter og virksomheder, der har som målsætning at optimere PEM-elektrolysatorer og udvikle fotokatalyse. Centret er støttet af Det Strategiske Forskningsråds programkomite for bæredygtig energi og miljø og koordineres af DTU Kemi. De øvrige universitetspartnere er to forskningscentre under DTU Fysik (CINF og CAMD) samt Institut for Fysik og Kemi v/sdu og Institut for Kemi-, Bio- og Miljøteknologi v/sdu. De industrielle partnere er IRD Fuel Cells, Danish Power Systems og Danfoss-datterselskabet Tantalum Technologies. HyFC Academy Forskerskolen Hydrogen and Fuel Cell Academy på Aalborg Universitet (AAU) er oprettet i et samarbejde mellem Institut for Energiteknologi v/aau, DTU Kemi og Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi v/risø DTU. HyFC Academy uddanner forskere inden for bl.a. HT-PEM elektrolysatorer og SOEC-elektrolysatorer samt SOEC-konvertering til syntetiske brændsler. En række industrielle partnere samarbejder med HyFC Academy: APC Denmark, Danfoss, Dantherm Power, DONG Energy, IRD Fuel Cells og Topsoe Fuel Cell. IRD Fuel Cells A/S IRD udvikler og producerer celler, stakke og moduler til PEMbrændselsceller samt komplette PEM-brændselscellesystemer og har som sådan opbygget en betydelig viden og erfaring omkring PEM-teknologi. IRD deltager i R&D projekter omkring PEM-elektrolyse. IRD vil på kort sigt udvikle og producere PEM-elektrolysatorer til integrering med IRDs PEM-brændselscelle-systemer Elektrolysestrategi 25

26 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 dette felt. De seneste godt 5 år har der tillige kørt et udviklingsspor på fastoxid elektrolyse. Topsoe Fuel Cells nye produktionsanlæg til SOFC-brændselsceller skaber meget lovende udsigter for en konkurrencedygtig produktionspris for SOEC-elektrolyseanlæg. Foto: Poul Møller/Topsoe Fuel Cell Risø-DTU s store ekspertise inden for materialer og keramiske processer til solid oxide brændselsceller vil også blive anvendt til fremstilling af keramiske elektroder til alkalisk elektrolyse. SDU, Institut for Kemi, Bio- og Miljøteknologi 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. Strandmølle Industrigas Strandmøllen har igennem ca. 10 år produceret brint på et 800 kw alkalisk elektrolyseanlæg og har desuden ekspertise inden for udvikling og opbygning af industrigassystemer. Topsoe Fuel Cell (RD&D) Topsoe Fuel Cell A/S (TOFC) har gennem de seneste 8 år udført et meget betydeligt arbejde inden for forskning, udvikling og kommercialisering af fastoxid brændselsceller i samarbejde med Risø DTU. I 2008 passerede TOFC s indsats 100 mandår/år. TOFC ser et potentiale i SOEC teknologien, der på sigt kan overstige SOFC potentialet. TOFC deltager i SOEC R&D projekter både i Danmark og i EU regi. Potentielle aktører Der vil generelt være et stort potentiale for højt specialiserede underleverandører. Som eksempel kan nævnes udskæring af komponenter (Lasertech). Endelig er der mulige danske aktører på anlægskomponenter (Danfoss) og systemintegration (Danfoss, Dantherm). Elektrolysestrategi 26