Dansk PEM Brændselscellestrategi Strategiplan:

Transkript

1 Dansk PEM Brændselscellestrategi Strategiplan: Partnerskabet Brint og Brændselsceller i Danmark PEM strategigruppen Maj 2009 Side 1 af 36

2 INDHOLDSFORTEGNELSE INDLEDNING... 3 MARKEDET... 5 STATUS... 7 INDSATSEN INDENFOR CELLER OG STAKKE... 8 INDSATSEN INDENFOR SYSTEMKOMPONENTER OG SYSTEMINTEGRATION... 9 PERSPEKTIVER SPIN-OFF DANSK PEM BRÆNDSELSCELLESTRATEGI VISION, MISSION OG STRATEGI MÅLSÆTNINGER OG INDSATSOMRÅDER Systemer Celler og stakke OPSUMMERING ANNEX 0: MARKEDSKARAKTERISTIKA ANNEX 1: DEFINITION AF DELSYSTEMER ANNEX 2: ROAD MAP, LT PEM BRÆNDSELSCELLEOMRÅDET ANNEX 3: ROAD MAP, HT PEM BRÆNDSELSCELLEOMRÅDET ANNEX 4: ROAD MAP, DMFC BRÆNDSELSCELLEOMRÅDET ANNEX 5: SYSTEMER UDVIKLET I DANMARK GENNEM ÅRENE ANNEX 6: FORKORTELSER OG BEGREBSFORKLARING ANNEX 7: PRODUKTER (KARAKTERISTIKA, ANVENDELSER OG FORDELE) ANNEX 8: LT PEM SYSTEMER, STAKKE OG CELLER LT PEM brændselscellestakke: LT PEM brændselsceller: ANNEX 9: HT PEM SYSTEMER, STAKKE OG CELLER HT PEM brændselscellestakke: HT PEM brændselsceller: ANNEX 10: DMFC STAKKE OG CELLER DMFC brændselscellestakke: DMFC brændselsceller: Maj 2009 Side 2 af 36

3 INDLEDNING Denne strategiplan er en del af den samlede danske strategi for brændselscelleudvikling beskrevet i: Overordnet strategi for udvikling af brændselscelleteknologi i Danmark, Maj Dette dokument er den opdaterede version af det fortløbende strategiarbejde for udvikling og produktion af danske PEM 1 (eng. Proton Exchange Membrane) brændselsceller og PEM brændselscellesystemer. I denne udgave af PEM Brændselscellestrategien er der lagt specielt fokus på brændselscellesystemer og markedskrav til disse, eftersom den seneste udvikling har bragt brændselscelleteknologien meget tæt på markedet specielt indenfor visse nicheanvendelser. Dette er en meget vigtig fase for teknologiens fremtidige udvikling, da markedsindtrængen er en svær disciplin, men samtidig absolut vigtig for at retfærdiggøre de store investeringer i PEM brændselscelleteknologien. Denne strategiplan tager udgangspunkt i Road Maps for LTPEM, HTPEM og DMFC som er vedlagt i Annex 2, 3 og 4. Disse Road Maps indeholder alle faktuelle mål og milepæle. Der er stor international fokus på PEM brændselscelleteknologien på grund af de gode miljømæssige egenskaber og muligheder for at anvende biobrændsler eller brint fra sol- eller vindenergi. PEM brændselsceller har derfor mange fordele og muligheder, specielt indenfor transport, decentral produktion af kraftvarme og substitution af batterier og dieselgeneratorer. De kan fungere direkte med brint eller methanol (DMFC) eller vha. reformer med de fleste kendte fossile brændsler. Af andre miljømæssige fordele kan nævnes: Ingen NO x i afgangsgassen. PEM brændselsceller har desuden mulighed for høj el-virkningsgrad hvilket for mindre anlæg (1-500 kw) kan give bedre brændstofudnyttelse og mindre forurening i forhold til konventionel teknologi. PEM brændselsceller har gode del-last og transient egenskaber: De kan starte og fungere ved stuetemperatur og har ingen problemer med hyppig termisk cykling (start-stop). Teknologien er modulær og kan konstrueres i enheder fra mw til kw, som kan sammensættes til MW. PEM brændselsceller er således særdeles attraktive for decentral kraftvameproduktion helt ned til husstandsstørrelse. Der satses store beløb på udviklingen af PEM brændselsceller i Europa, USA, Canada og Japan og konkurrencen internationalt er hård. Det er derfor naturligt at spørge, hvad der måtte ligge bag ved en optimisme omkring Danmarks muligheder for at gøre sig gældende. Her er et uddrag af sådanne elementer: Brændselscelleudvikling kræver et tæt samspil mellem et sjældent stort antal faglige discipliner. Danmark har igennem mange år haft en stærk tradition for at uddanne ingeniører og forskere med stor tværfaglighed. Danske virksomheder er blandt de første i verden til at bringe PEM baserede brændselsscellesystemer på markedet indenfor de tidlige kommercielle nicheområder såsom nødstrømsforsyning og intern transport. Danmark har internationalt stærke forskningsmiljøer inden for elektrokemi, materialeteknologi, katalyse, fluid dynamik, effektelektronik, køle- og varmeteknik etc. 1 Forkortelser er opført i Annex 5 Maj 2009 Side 3 af 36

4 Danmark har et stort antal industrivirksomheder inden for de relevante områder. Hertil kommer, at timingen for den danske indsats gør, at fremskridt i dag sker i et højt tempo. Med andre ord er en stor del af de internationalt anvendte beløb gået til grundlæggende fremskridt, der nu kommer os alle til gode. HT PEMFC er på få år blevet et vigtigt indsatsområde, hvor danske brændselscelleaktører har positioneret sig helt i front internationalt. De fleste af de danske brændselscelleaktører er gået med, og f.eks har Serenergy etableret pilotproduktion af HT PEM brændselscellestakke med en bred international kundeportefølje. Dantherm Power forventer medio 2009 at starte serieproduktion af systemer med HT PEM brændselscellestakke til blandt andet nødstrømsforsyning. Maj 2009 Side 4 af 36

5 MARKEDET PEM- og DMFC er i dag på markedet indenfor flere nicheområder. PEM brændselsceller bruges i dag i nødstrømsforsyninger, og DMFC anvendes som batterisubstitution i form af små generatorer. Disse tidlige kommercielle anvendelser beviser teknoloiernes modenhed, og er bølgebrydere for videreudvikling og introduktion indenfor andre områder. Den tidlige forskning og udvikling, som har bragt teknologien til det nuværende stade har fordret en meget stor indsats. Indsatsen på både forskning og udvikling fremover forventes at kræve endnu flere ressourcer, da nye teknologiske gennembrud skal sikres, og hele den markedsrettede udvikling skal gennemføres. PEM brændselsceller kan bruges i en meget lang række anvendelser. Generelt kan de bredt anvendes som erstatning for batterier, generatorer, forbrændingsmotorer og varmesystemer i såvel stationære som mobile og bærbare anvendelser. Dette indikerer, at det er meget omfattende at beskrive markedet for PEM brændselsceller generelt. Det er derfor valgt i denne strategiplan at fokusere på 5 kernemarkeder, hvor danske brændselscellesystemer over de kommende år forventes introduceret. Kernemarkederne er: o Nødstrømsanlæg (UPS). Der installeres i dag ca. 1,6 mio. senderstationer alene til mobiltelefoni hvert år. Rundt regnet alle disse skal have nødstrømsanlæg, hvormed der alene indenfor dette segment ligger et årligt markedspotentiale på omtrent kr. 30 mia. Hertil kommer hele IT-sektorens nødstrømsbehov, som er af mindst samme størrelse, samt generel nødstrøm indenfor en række segmenter. o Mikrokraftvarme (Mkv). Der sælges i dag omtrent 2 mio. naturgaskedler årligt til private hjem i Europa. Hvis hele dette marked skal dækkes af mikrokraftvarmesystemer, vil markedspotentialet ligge på omtrent kr. 100 mia. Det kan forventes, at ikke alle disse installationer kan drage nytte af mikrokraftvarmekonceptet, og det kan forventes, at en del bliver dækket af andre konkurrerende teknologier. Modsat kan det forventes, at mikrokraftvarme også vil slå igennem i andre områder, hvor der eksempelvis findes oliefyr. Mikrokraftvarme defineres i denne forbindelse som anlæg under 5 kw el 2. I tillæg til mikrokraftvarmen findes et meget stort potentiale indenfor minikraftvarme og minikraftværker (5-60 kw el 3 ), hvor PEM brændselscelleteknologien også må forventes at få stor udbredelse. Der er i øjeblikket mange projekter under opbygning med netbalancering og spidslastudjævning baseret på PEM-brændselsceller. Dette markedspotentiale er dog ikke analyseret pt. og vil derfor først blive medtaget i senere opdatering af PEMstrategien. o Nichetransport (NT). Gaffeltrucks anvender i dag batterier, LPG eller Diesel. Brintgaffeltrucks har berettigelse de steder hvor batterier ikke har tilstrækkelig kapacitet eller er for besværlige at håndtere og hvor LPG og Diesel er forurenende, dyrt og ineffektivt. Det primære marked er gaffeltrucks i 3-5ton klassen. Her er verdensmarkedet på gaffeltrucks om året, mens det samlede verdensmarked for gaffetrucks er 1,1 1,3mio enheder årligt. For at brintgaffeltrucks 2 Anlægsstørrelsen er altid opgivet i elektrisk udbytte (DC eller AC) med mindre andet er opgivet 3 Maj 2009 Side 5 af 36

6 er rentable kræves en flåde af trucks på minimum 5-6 trucks hvor truckene anvendes i flere arbejdsskifte. Brændselscellesystemer til gaffeltrucks er i størrelsen 5-15kW. o Hjælpegeneratorer (APU). Markedet for hjælpegeneratorer er meget bredt, og der har ikke kunnet frremskaffes samlede tal for dette marked. Overordnet består markedet af hjælpegeneratorer indenfor transportsektoren, indenfor fritidsanvendelser (campingvogne, både og fjerntliggende fritidshuse) samt til støtte i forbindelse med meget svage og hyppigt udfaldende el-net i udviklingslande. o Batterisubstitution (BS). Markedet for brændselsceller i anlæg til batteriopladning eller som erstatning af batterier omfatter en lang række af forskellige markedssegmenter der spænder over et bredt effektområde. I Danmark er fokus i effektområdet kw tiltænkt anvendelse som mindre generatorer til bl.a. off-grid systemer, IT, militær applikationer, vejrstationer, drivkraft til marine anvendelser, trafiksignaler til lands og til vands. I Annex 0 er de overordnede markedskarakteristika for hvert segment beskrevet. Generelt kæmper stak- og systemudviklere stadig med store produktionsomkostninger og stigende problemer med at finansiere udvikling af produkter som kan masseproduceres til acceptable priser. Teknisk er der taget meget store skridt, og enkelte producenter har mulighed for at opnå et kommercielt gennembrud indenfor det kommende år. Den væsentligste del af markedet vil i starten være nødstrømsforsyninger. Derpå forventes brændselscellesystemer til intern transport at få gennembrud, og kort efter kraftvarmesystemer med opbakning fra energiselskaber og kedelproducenter, som ønsker at teste markedsstrategier og salgskanaler. Maj 2009 Side 6 af 36

7 STATUS Dansk PEM brændselscelleforskning, -udvikling og kommercialisering er godt med internationalt. Der er gennem indsatsen siden 1989 opnået en international frontposition og et teknologi-stade, der rummer et stort potentiale for produktion og markedsføring af danske PEM-celler, -stakke og systemer. Indsatsen er vokset markant gennem årene, og der er i dag stærkt fokus på at sikre industriel succes indenfor denne teknologi, hvilket understreges af de mange industrielle virksomheders deltagelse. De danske aktører indenfor PEM brændselsceller i Danmark kan opdeles i tre kategorier, som illustreret på figur 1. Teknologiaktører Celler og stakke IRD, DTU, SDU, DPS, AAU & SerEnergy Markeder / slutbrugere PEM FC til telecom og UPS PEM FC til µchp Systemkomponenter Danfoss, Dantherm, Grundfos, TI & IRD PEM FC til NT PEM FC til APU Systemintegration Dantherm, H2logic, IRD, LeanEco, samt internationale samarbejdspartnere PEM FC til batterisubstition / lader Figur 1 Værdikædemodel. Udviklingen af celler, stakke og systemer har været baseret på en stærk materialegruppe på SDU, DTU og en stærk modelleringsgruppe på AAU, en stærk involvering af store industrivirksomheder såsom Danfoss og Dantherm samt mindre SME virksomheder såsom IRD og H2Logic, samt samarbejde med internationale selskaber indenfor området såsom Ballard Power Systems, Baxi m.fl. Det er derfor et mål for alle gennem samarbejde mellem universiteter, laboratorier og brændselscelleproducenter og industrivirksomheder at: o Deltage i opbygning af avanceret viden om brændselsceller Maj 2009 Side 7 af 36

8 o Sikre adgang til brug af de nyeste, relevante teknologier o Medvirke til opbygning af de nødvendige kompetencecentre i Danmark, således at udvikling i Danmark understøttes o Bidrage til den modningsproces, der muliggør salg og ibrugtagning af brændselscelleteknologi, herunder deltage i standardisering. o Sikre en industriel involvering i kommercialisering og markedsopbygning o Sikre Danmark en First Mover position indenfor brændselsceller og brændselscellesystemer. På en række virksomheder og institutioner foregår kontinuert F&U indenfor materialer, komponenter, celler, stakke og systemer, såvel som af måletekniske metoder. Målet er at medvirke til, at dansk F&U er på internationalt topniveau, således at dansk PEM brændselscelleteknologi kan være førende på verdensplan. De danske aktiviteter i PEMforskningen foregår i form af grundlæggende teknologiudvikling parallelt med systemudvikling og opbygning af demonstrationsanlæg for specifikke applikationer, hvilket løbende sikrer indsatsens anvendelighed, målretning samt understøtter den kortest mulige vej til markedet. En væsentlig styrke ved det danske PEM brændselscelle program er den meget betydelige baggrundsviden, der er opnået ved en langsigtet F&U gennem flere års programforskning. Det er nødvendig, at indsatsen i det danske program, indenfor demonstration, teknologiudvikling og den grundlæggende F&U-indsats, yderligere intensiveres de kommende år for bedst muligt at sikre kommerciel produktion og succes og dermed lede til skabelsen af danske arbejdspladser, forøget el-forsyningssikkerhed og en miljøvenlig og energieffektiv kraftvarmeproduktion. Der er de seneste år sket en markant udvikling indenfor PEM brændselsceller i Danmark gennem inddragelse af de førende internationale aktører til at sikre konkurrencedygtigheden af den danske indsats og til at sikre first mover fordele indenfor de tidlige markeder. APC har tidligere haft et tæt samarbejde med Hydrogenics rettet mod kommercialisering af UPS systemer. I dag er både Dantherm Power og H2Logic udvalgt som strategiske partnere hos Ballard Power Systems, og har dermed sikret sig førerpositionen indenfor hvert sit marked. IRD erhvervede primo 2009 et avanceret PEM & DMFC MEA produktionsanlæg i Albuquerque, New Mexico. INDSATSEN INDENFOR CELLER OG STAKKE IRD har deltaget i den grundlæggende udvikling af PEM teknologien sammen med bl.a. Siemens, Johnson Matthey, FIAT, VOLVO, AIRBUS og American Power Conversion Denmark (APC). Efter mange års forskning og udvikling på nanoteknologisk niveau, er IRD nu internationalt førende indenfor DMFC, og som en af de få aktører i verden på vej med kommercielle brændselsceller indenfor både DMFC og PEM. Samtidig har IRD demonstreret brændselscelle baseret anlæg (CHP). IRD/APC har i perioden udviklet flere generationer PEM brændselsceller i effektområdet kw. Disse er anvendt til konstruktion af nedennævnte systemer i størrelser fra 1 kw til 50 kw. Fra 2001 har IRD haft pilotproduktion af PEM brændselscellestakke med salg til bl.a. USA, Tyskland, England og Italien. I perioden har IRD bl.a sammen med APC udviklet en række DMFC brændselsceller i effektområdet 10 W- 2 kw til anvendelse i bl.a. demonstration af UPS systemer og transportable generatorsystemer. Maj 2009 Side 8 af 36

9 Kemisk Institut, DTU har i samarbejde med Danish Power Systems (DPS) udviklet HT PEM brændselscelle med en ny membran, der muliggør drift ved temperaturer på op til 200 C. Der er her tale om en ny retning, hvor Danmark er med i front internationalt. I dag fremstiller DTU-gruppen alle cellekomponenter lige fra polymeren til den færdige MEA. DTU deltager i, og koordinerer, adskillige EU-projekter på området. IRD har udviklet en HT PEM stak baseret på netop DTU s MEA er, som Volvo har afprøvet i kombination med en diesel reformer, der giver selv diesel en miljømæssig gevinst. SerEnergy fokuserer på udvikling og markedsføring af brændselscelle stakmoduler baseret på HT PEM teknologien. SerEnergys enkle luftkølede stakteknologi muliggør meget høje totalnyttevirkninger og tilsvarende lave totalsystemomkostninger. SerEnergy servicerer et bredt udsnit af markeder inkl. nødstrøm, fritid, militær, mikrokraftvarme applikationer, med den samme enkle teknologi. Dette muliggør store synergivirkninger markederne imellem. SerEnergy har et stærkt samarbejde med ledende nationale og internationale systemintegratorer. AAU, Institut for Energiteknik, har valgt brændselsceller som et hovedindsatsområde og en gruppe er etableret. Flere PhD-projekter er i gang inden for celledesign (flow) og systemer. Et laboratorium er opført i 2002 med henblik på opbygning og test af PEM brændselscellesystemer. Aalborg Universitet har været blandt pionererne indenfor HT PEM stakke og systemer, og har i dag en unik viden på dette område. Aalborg Universitet er i tæt samarbejde med virksomheder indenfor systemudvikling, og har udviklet vigtige kompetencer, som understøtter virksomhederne med såvel kritisk viden, som veluddannede kandidater. INDSATSEN INDENFOR SYSTEMKOMPONENTER OG SYSTEMINTEGRATION Danfoss har etableret en afdeling for systemkomponentudvikling og har startet et brændselscellebaseret mikrokraftvarme projekt i et samarbejde med bl.a. IRD og Dantherm. Danfoss ønsker gennem samarbejde med danske universiteter, laboratorier og virksomheder at opbygge viden om brændselscelleteknologi, således at Danfoss kan udvikle, producere og sælge masseproducerede komponenter til stationære brændselscellesystemer i området kw. Grundfos producerer komponenter, som f.eks. pumper og sensorer. IRD har udviklet flere generationer af LT PEM & DMFC moduler og systemer til stationær anvendelser. Det seneste LT PEM system (1.5 kw β-µchp) er udviklet til kørsel på ren brint. Dette system er testet med overordentligt positivt resultat hos DGC (η el 47% & η Total 94%) og den endelige CE-mærkning er afsluttet Oktober H2Logic A/S er fremme i front med udvikling og kommercialisering af brændselscelle systemer til transport formål og har samarbejder med f.eks. Volvo, StatoilHydro og det tidligere Ford Motor Company i Norge, Think Technology ASA. Dantherm Power har gennem de seneste seks år arbejdet målrettet på at udvikle kommercielt konkurrencedygtige brændselscellesystemer til mikrokraftvarme og nødstrømsforsyning. I dag har Dantherm Power nær-kommercielle systemer til nødstrømsforsyning, som sælges i store styktal. Dantherm Power har i dag systemer kørende i en lang række lande på tre kontinenter, og har vundet flere store internationale kontrakter. Brændselscellesystemerne til nødstrømsforsyning er i dag så simple og gennemdokumenterede, at de er hyldevarer, som produceres af ufaglært arbejdskraft hos søsterselskabet Dantherm Air Handling. Dantherm Power har desuden udviklet mikrokraftvarmesystemer baseret på PEM i tæt samarbejde med Maj 2009 Side 9 af 36

10 Serenergy og en række internationalt partnere, og skal allerede i år 2009 levere mere end 20 systemer. LeanEco foretager UPS system integration. TI foretager test til mobile applikationer. Teknologistøtte til udvikling af komponenter og systemer. DGC udfører test og CE-certificering af systemer til stationære applikationer. Der samarbejdes tillige med EnergiIndustrien under DI, Center for Elektriske Energi- Systemer (CEES, HIRC og Cemtec. PERSPEKTIVER Der blev i Danmark alene på PEMFC teknologiudvikling anvendt 125 mandår i Dansk PEM F&U har opnået en international status, således at man i dag leverer brændselscelle-komponenter og -systemer til en række førende strategiske kunder og markedssegmenter. Der er undervejs etableret et stort antal patenter inden for brændselscelleteknologi. Gruppen af danske PEM brændselscelle aktører deltager aktivt i adskillige internationale fora, f.eks. o Standarisering (brændselsceller, tilslutning af elproducerende apparater til forsyningsnettet) o EU-projekter (adskillige projekter i 6. og 7. rammeprogram) o Forskningssamarbejder med førende, udenlandske virksomheder (f.eks. Gore, Dupont, Johnson-Matthey, Siemens, Schunk, SGL, Freudenberg, Hydrogenics, BASF, Ballard Power Systems, IdaTech...). o IEA arbejdet indenfor brint og brændselsceller. Disse aktiviteter vil kunne medvirke til virkeliggørelsen af Danmarks energipolitiske forpligtelser, som er beskrevet i Kyoto-aftalen og konkretiseret i Energi 21. Heraf fremgår det blandt andet, at Danmark skal reducere den årlige udledning af CO 2 med 21% i forhold til 1990-niveau. Dette vil bl.a. kunne ske ved at etablere decentrale naturgas eller brint kraftvarme anlæg med central styring helt ned på husstands niveau. Fordelen ved sådanne brændselscelle baserede decentrale anlæg er udover mindre forurening at de kan udjævne belastningen fra vindmøller ved at sættes ind i vindstille perioder, samt medvirke til at forbedre forsyningssikkerheden. Desuden optimere ydereligere integrationen VE i det danske net. Derudover har brændselscelleområdet potentiale til at skabe et dansk vækstområde. På vejen mod virkeliggørelsen af de energipolitiske mål, er det yderst vigtigt, at der i Danmark bliver ydet en konsistent indsats af alle parter, og at udviklingen fortsat baseres på et stort netværk af førende partnere. På vejen mod opfyldelsen af de overordnede energipolitiske mål vil brændselscelleteknologien blive kommercielt konkurrencedygtige indenfor flere tidlige nichemarkeder. Det er her af afgørende betydning, at danske spillere er vigtige brikker i denne kommercialisering, og derved bringer stor læring og stor indtjening til branchen. Dette bevirker, at de som står udenfor vil få svært ved at følge med udviklingen. Derfor er det en vigtig parameter for at opnå de fremtidige energipolitiske mål, at der undervejs skabes succes på de tidlige markeder. Maj 2009 Side 10 af 36

11 Det er i dag i stigende grad viden, der er grundlaget for udvikling af nye energiteknologier. Det betyder, at Danmark i dag satser på at blive førende inden for nye højteknologiske, videnstunge energiteknologier. Den værdiskabelse, der skal føde nationen, skal derfor komme fra den proces, der kombinerer ny teknologi med nye markedsbehov. Det er derfor essentielt, at Danmark sikrer sig en ledende rolle i såvel udviklingen af de basale PEM brændselscelle teknologier og discipliner, som udviklingen af systemer og applikationer samt demonstration af disse. Idet disse områder er under opbygning, er det derfor væsentligt, at Danmark investerer i forskning, udvikling og demonstration af PEM brændselscelleteknologiens relevante elementer f.eks.: o Essentiel viden omkring materialer og proces- og produktionsteknologi med henblik på højeffektive produkter med lang levetid og konkurrencedygtig pris. o Dansk industris adgang til forskning og nøgleteknologi ikke en selvfølge på grund af den globale lukkethed, der omgærder brændselscelleteknologien o Et tæt samspil mellem demonstration, system- og komponentudvikling. o Fuldautomatiske, højteknologiske produktionsteknologier, hvorved en del klassiske argumenter for at flytte produktionen til billige tredie-lande forsvinder. Der deltager allerede en række danske erhvervsvirksomheder, der har potentiale til opbygning af produktion i et størrelsesforhold, der står mål med perspektiverne, j.f. afsnittet Status. SPIN-OFF Ud over de klassiske danske perspektiver som energibesparelse og renere miljø vil brændselsceller tillige kunne forcere udviklingen på andre områder, f.eks. o PEM brændselsceller kan i kraft af teknologiens egnethed til effektive, mindre, decentrale anlæg medvirke til det tekniske og økonomiske fundament for en reel liberalisering af el-markedet. o Decentrale PEM brændselscelle kraftvarmeanlæg med central styring vil have store muligheder for at løse de stigende udfordringer fra vindmøller etc. med hensyn til reguleringsydelser i elnettet fordi de kan styres over et stort effektområde. o Mindre, decentrale anlæg har endvidere store perspektiver hvis mange sådanne anlæg kombineres med avanceret IT-teknologi ( Virtual Utility ). o PEM brændselsceller kan bidrage til at øge energieffektiviteten indenfor transport samt muligheden for anvende energibærere f.eks. brint og methanol som kan produceres på basis af vedvarende energi. o En stor del af den elektrokemiske og materialemæssige ekspertise der er samlet på brændselscelleområdet vil vise sig meget nyttig ved etableringen af et parallelt udviklingsspor om vandelektrolyse. o PEM brændselsceller kan anvendes til at sikre forsyningssikkerhed via installering af UPS-anlæg, og via opkobling af UPS anlæg på el-nettet. Maj 2009 Side 11 af 36

12 DANSK PEM BRÆNDSELSCELLESTRATEGI VISION, MISSION OG STRATEGI Den overordnede vision kan udtrykkes ved målene: o o o o o o Brændselscelleteknologien bliver grundlaget for ny dansk eksport Brændselscelleteknologien vil skabe grundlag for vækst og generere nye arbejdspladser Brændselscelleteknologien bidrager til en synlig forbedring af miljøet Brændselscelleteknologien vil bidrage aktivt til integration af vindmølleenergi og kan derved sikre yderligere udbygning af vindkraft uden yderligere udbygning med store centrale grundlastanlæg. Brændselscelleteknologien vil bidrage til en langsigtet og stabil energiforsyning. Brændselscelleteknologien vil bidrage til en betragelig nedsættelse af CO 2 -udslippet ved at indgå i hybrid-løsninger til transportsektoren Missionen inden for udvikling af PEM brændselsceller er på denne baggrund at sikre den størst mulige danske udnyttelse af teknologien ved at: o Sikre, at dansk PEM brændselscelleudvikling ligger i front internationalt o Udvikle den bestående danske PEM brændselscelleteknologi o Sikre dansk kommercialisering af PEM brændselscelleteknologi o Sikre inddragelse af internationale resultater og internationalt førende produkter i den danske satsning o Sikre at der uddannes forskere, teknikere, ingeniører m.m. indenfor dette og relaterede felter, såsom service teknikkere og certificeringskyndige i takt med kommercialiseringen o Sikre at tidligt og bredest mulig adgang for dansk industri til ny brændselscelleteknologi Konkrete elementerne i strategien vil være at: o o o o Sikre det nødvendige omfang af indsatsen gennem samarbejde, fokus og mål hvorved dobbeltarbejde minimeres Medvirke til, at området bliver attraktivt for dygtige ingeniører og forskere en væsentlig forudsætning for vækst Sikre en høj kvalitet ved at alle komponent- og delsystemaktiviteter løbende integreres og evalueres i konkrete systemer og anvendelser Sikre parternes knowhow ved aktiv og professionel håndtering af IPR ( Intellectual Property Rights ) Identifikation af de mest lovende markedssegmenter for PEM brændselscelleteknologien kræver indsigt i fremtidige potentielle markeder (anlægsstørrelse, tilladelig pris, nødvendig effektivitet, levetid, brændsel, driftstemperatur etc.), en systemviden om energisystemer samt en detaljeret forståelse for teknologiens aktuelle stade herunder de begrænsende faktorer. For Maj 2009 Side 12 af 36

13 at sikre en fokuseret indsats vil der løbende blive udarbejdet produktdefinitioner, som kan sætte kravene til systemer og systemkomponenter i relief. Et væsentligt element i strategien er ligeledes parallelt at udvikle celler, cellestakke og systemer til forskellige anvendelsesområder for derved løbende at sikre, at udviklingen af komponenter anspores i den rigtige retning. Maj 2009 Side 13 af 36

14 MÅLSÆTNINGER OG INDSATSOMRÅDER Strategien og produktdefinitioner leder til konkrete målsætninger. Disse målsætninger vil løbende blive evalueret i forhold til produktdefinitionerne og i forhold til opnåede resultater i det danske PEM brændselscelleprogram, såvel som internationalt. Som udgangspunkt for målsætningerne er der udarbejdet definitioner af de forskellige niveauer af delsystemer som indgår i komplette brændselscellesystemer (Annex 1). Disse definitioner anvendes gennem hele dette strategidokument. Målsætningerne og milepæle for perioden er anført i LT PEM Road Map, HT PEM Road Map og DMFC Road Map (Annex 2-4), hvor også de forskellige indsatsområder, der skal føre frem til de angivne mål, er illustreret. Målsætninger er inddelt i dels konkrete produktområder, dels delmål for de enkelte komponenter og teknologiske udviklinger. Der vil i det følgende blive taget udgangspunkt i følgende fem markedssegmenter: Nødstrømsanlæg, mikrokraftvarme, niche transport, hjælpegeneratorer og batterisubstitution. Der bliver lavet en generisk betragtning, da der også indenfor hvert markedssegment kan være forskellige applikationskrav. I Road Maps i Annex 2 4 er der anført målsætninger med hensyn til ydeevne og pris dels for systemerne og dels for de enkelte nøgleteknologier og for komponenter. Systemer Indsatsen indenfor systemudvikling fokuserer indenfor LT PEM på udvikling af moduler på 1, 2, 5 og 10 kw til nødstrømsforsyning med brintforsyning fra trykflasker samt 1-50 kw kraftvarmemoduler drevet på brint fra elektrolyse eller affalds brint fra kemisk produktion. Indsatsen indenfor systemudvikling fokuserer indenfor HT PEM på udvikling af moduler på methanol eller brint til nødstrømsforsyning samt 1 kw kraftvarmemoduler for reformergas. Indsatsen indenfor systemudvikling til niche transport fokuserer på udviklig af LT PEM og HT PEM systemer på 1, 2, 5 og 10 kw med onboard tryklagring af brint. Det skal bemærkes, at der i LT PEM Roadmap i Annex 2 er taget udgangspunkt i anvendelse af brændselscellestakke fra udenlandske partnere til systemerne til de tidligt kommercielle markeder de første år, da specifikationer og priser på danske stakke ikke matcher markedsbehovet. Med en dedikeret indsats vil der over en årrække kunne indgå danske brændselscellestakke i disse systemer, som det fremgår af Road Map for LT PEM. Indenfor DMFC fokuseres på udvikling af 0,5 1 kw moduler for anvendelse i stationære og transportable anlæg Systemaktiviteter der defineres i oversigten nedenfor - tjener følgende formål: o Sikre at stakke udvikles med fokus på applikationen, således at stakdesignet muliggør den mest simple og effektive systemarkitektur med lavest mulige pris. o Sikre, at komponentkrav er indbyrdes optimalt afbalancerede o Skabe en ny og grundlæggende viden, der kan sikre, at nye komponenter og ny teknologi udvikles i en retning, der bidrager positivt for de samlede systemer Maj 2009 Side 14 af 36

15 o Opbygge forståelse for, hvor gode systemer, der kan opnås, samt for, i hvilken retning dette skal forsøges (f.eks. ved at kortlægge flaskehalse og fundamentale begrænsninger) o Eliminere komponenter og omkostninger o Skabe grundlag og overblik over forskellige arkitekturer og koncepter, samt hvorledes disse kan tjene forskellige anvendelsesformål. Den planlagte indsats indenfor de respektive områder er skitseret i Tabel 1. Tabel 1 Planlagte system indsatsområder. Område Systemarkitektur Balance-of-Plant Systemkomponenter Reformere (Elektrolysatorer) Anden systemviden Køling Indsats Simplificering af systemarkitektur Applikationsdrevet modularisering Udvikling af systemarkitekturer og platformskoncepter, der understøtter o Generiske systemkomponenter for multiple anvendelser o Høj virkningsgrad o Lav kompleksitet, få balance of plant komponenter o Høj pålidelighed Udvikling af Balance-of-Plant delsystemer (modeller, software og hardware), der: o Øger systemernes samlede el-virkningsgrad o Reducerer kompleksitet og pris for anlæggene o Integrerer del-systemer o Anvender standardiserede, billige komponenter f.eks. fælles med bilindustrien Udvikling af dedikerede systemkomponenter for anvendelse i forbindelse med brændselsceller. Herunder: Befugtere/varmevekslere, overvågningsudstyr og invertere, pumper etc. Simplificering, eliminering af delkomponenter hvor muligt Indgå i internationalt samarbejde om brændselsreformering Udvikling af elektrolysatorer og reversible brændselsceller beskrives særskilt i Elektrolysestrategi. Opbygning af viden om sikkerhedsudstyr og sikkerhedsgodkendelse Opbygning af viden om installation og drift af brændselscelleanlæg Standardisering (installation, sikkerhed, nettilslutning) Udvikling eller eliminering af kølesystemer til DMFC, LT PEM og HT PEM Maj 2009 Side 15 af 36

16 Anvendelse af spildvarme Internt i systemet Alternativt til køleformål (f.eks. ved absorptionskøling) Definitionerne (Annex 6) og data fra Road Maps (Annex 2-4) er benyttet for opstilling af de centrale systemkarakteristika og specifikke indsatsområder for stakke og celler. Disse data findes i skemaerne i Annex Det skal bemærkes, at visse systemkarakteristika er baseret på brændselscellestakke fra internationale partnere. Dette sker i de tilfælde hvor disse ikke er tilgængelige i Danmark, men dog nødvendige for at få succes med teknologien på vigtige markeder. Celler og stakke Hovedmålene for udvikling af PEM cellen er o Mindske behovet for kompleksitet på systemniveau o Øget effekt i forhold til vægt, volumen og pris, eller mindsket pris i forhold til effekt, afhængigt af markedssegmentet. o Lang levetid i forhold til omkostninger o Termisk og elektrisk cyklabilitet Det er essentielt, at disse forbedringer opnås samtidigt med, at der sker reduktion i kravene til det omliggende system, således der ses en reel forbedring af systemernes nettoydelse og kost. De aktiviteter, der er planlagt med henblik på disse mål, er specificeret separat for henholdsvis LT PEM, DMFC og HT PEM. En betragtelig grundvidenskabelig indsats er stadig nødvendig for at kunne forbedre PEM teknologien og samtidig sænke prisen til et konkurrancedygtigt stadie, når helt centrale elementer af brændsecellerne stiger drastisk i pris som vist på figur 2. Maj 2009 Side 16 af 36

17 US$ per troy oz monthly average 2,500 2,000 1,500 1, Pt Ru Pd Ir Source: 0 jan-94 jan-96 jan-98 jan-00 jan-02 jan-04 jan-06 jan-08 jan-10 Fig. 2 Prisudvikling af de nuværende PEM katalysatorer Indsatsen indenfor LT & HT PEM celler og stakke fokuserer på effektområdet 1, 2, 5 & 10 kw. Da teknologien er modulær kan større effekterområder dækkes af multipla af ovennævnte stakke og moduler. Den danske indsats vil blive fokuseret på både brint og reformat løsninger af både væskekølede og luftkølede stakke og moduler til såvel stationære formål, som kraftvarme etc., samt stakke og moduler udelukkende til elektriske formål, som nødstrøm og nichetrannsport. Indsatsen indenfor udviklingen af DMFC celler og stakke fokuser på effektområdet kw primært til batterisubstitution og til stationære formål som kraftvarme. Maj 2009 Side 17 af 36

18 OPSUMMERING Denne udgave af PEM Strategiplanen kendetegnes ved at have langt mere fokus på systemer og anvendelser i sammenligning med tidligere udgaver af strategiplanen. Dette er at forvente, da teknologien skal bringes frem til kommerciel succes over de kommende år. Væsentlige fremskridt tyder dog på, at udviklingen vil gå hurtigere end forventet. Det er meget positivt at konstatere, at PEM brændselscelleteknologien nu har nået et stade, hvor præcise systemspecifikationer kan opstilles ud fra kundekrav. Dette er et tegn på teknologiens modenhed, og er med til at underbygge, at der findes kommercielle anvendelser på meget kort sigt. Det er ligeledes meget positivt at konstatere, at HT PEM teknologien herhjemme har nået et stade, hvor systemer er på vej på markedet, og hvor de danske aktører er førende på verdensplan. DMFC teknologien besidder et stort potentiale for simplificering af systemerne, men det er nødvendigt med en stor indsats for at realisere dette potentiale. Det er derfor vigtigt at prioritere ressourcer til denne opgave. I denne kritiske fase mellem teknologiudvikling og markedsintroduktion skal strategien stå sin store prøve, idet der findes mange faldgrupper i denne kritiske fase. Der er behov for et tæt samarbejde mellem det offentlige og det private, tæt samarbejde mellem alle spillere, og en direkte adgang til vigtige markeder, for at sikre succes. I dette strategidokument vurderes det underbygget, at alle ingredienser er til rådighed i den danske satsning, og at vi således kan forvente, at de ambitiøse mål bliver opnået, hvis ikke forudsætningerne ændres drastisk. Maj 2009 Side 18 af 36

19 ANNEX 0: MARKEDSKARAKTERISTIKA Herunder er de overordnede markedskarateristika beskrevet. Nødstrøm (UPS) Et BC system til UPS indeholder typisk BC modul samt power elektronik. Brændstoflager er ikke inkluderet i systemet. Forventet system levetid: levetid) Max udv. støjniveau: System opstartstid % degradering ved rated power (10 års std. by <60 db(a) <10 ms (<2 sek opstart på stak fra std. by) Early Targetpris pr. kw 500 kw/år (Systempris i år 2009) Final Targetpris pr. kw kw/år (Systempris i år 2020) System power range: Krav til virkningsgrad: Mikrokraftvarme (Mkv) 1-10 kw lave Et Mikrokraftvarme anlæg kører typisk på naturgas eller ren hydrogen. Systemet indeholder BC modul med fuel processing, varmelager, styring samt power elektronik og klar til installation i privat bolig. Forventet system levetid: Max udv. støjniveau: System opstartstid % degradering ved rated power <40 db(a) (lav grundet installation i bygning) Final Targetpris pr. kw kw/år ved H2 (år 2020) System power range: kw/år ved NG 1-5 kw Krav til virkningsgrad: Elvirkningsgrad >55% og totalvirkningsgrad >90% ved H 2. Niche Transport (NT) Elvirkningsgrad >50% og totalvirkningsgrad >90% ved Naturgas. Et system til NT fungerer typisk i sammenhæng med et eksisterende elektrisk drivsystem på et køretøj. Enten erstattes et batteri med et BC System, ellers suppleres eksisterende batterier med et BC system. System definitionen der her anvendes er inklusiv batteripakke. Forventet system levetid: Max udv. støjniveau: System opstartstid % degradering ved Rated Power <70 db(a) <0,5 sek (<30 sek opstart på stak fra std. by) Early Targetpris pr. kw /kw (BC kw/år i år 2010 Final Targetpris pr. kw /kw (BC kw/år i år 2020 System power range: Krav til virkningsgrad: 0,5-20 kw høje meget høje (System målsætning BoL, nominel) Maj 2009 Side 19 af 36

20 APU Et APU system er en generatorløsning som erstatning for eks. Dieselgenerator eller batterier. Der tages udgangspunkt i metanolbaserede systemer (med reformer eller DMFC) til off-grid forsyning, fritidsanvendelser i både og campingvogne, kølecontainere samt sekundær energiforsyning til transport. System definitionen der her anvendes er inklusiv batteripakke. Forventet system levetid: Max udv. støjniveau: System opstartstid % degradering ved Rated Power <70 db(a) Early Targetpris pr. kw kw/år i år 2012 Final Targetpris pr. kw System power range: Krav til virkningsgrad: kw/år i år 2020 (ref. til Brint og brændselsceller til Transport i Danmark ) 1-10 kw middel høje Batterisubstitution (BS) Et system til Batterisubstitution (hybridiseringssystemer/batteriladere) anvendes eksempelvis som erstatning af dieselgeneratorer og til off-grid forsyninger. System definitionen der her anvendes er inklusiv batteripakke. Forventet system levetid: Max udv. støjniveau: System opstartstid % degradering ved Rated Power <40 db(a) <10 ms (hybridisering) Final Targetpris pr. kw kw/år i år 2020 System power range: Krav til virkningsgrad: 0,1 kw 2 kw middel lav Maj 2009 Side 20 af 36