Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige energisystem uden fossile brændstoffer Brændselsceller og elektrolyse

Transkript

1 Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige energisystem uden fossile brændstoffer Brændselsceller og elektrolyse Anke Hagen Prof. (mso) Dr. rer. nat., Sektionsleder Anvendt Elektrokemi

2 Program Modul Program 4 Fremlæggelse International status Diskussion, perspektivering, andre teknologier, debat om mulige scenarier Præsentation/ Diskussion 2 DTU Energy, Technical University of Denmark

3 Fremlæggelse Fremstilling af celler (SOFC) Mikroskopi (SOFC) Celletest (SOFC) PEM Brændselsceller Opgave til publikum: Find på et spørgsmål, hver. 3 DTU Energy, Technical University of Denmark

4 Fra enkelte SOFCer til et produkt Byg et system med SOFC brændselsceller 4 DTU Energy, Technical University of Denmark

5 Fra enkelte SOFCer til et produkt By et system med SOFC brændselsceller Luft Naturgas Brændstofforbehandling SOFC Stack DC/AC Konvert. Strøm til bruger Varmvands beholder Varme til bruger 5 DTU Energy, Technical University of Denmark

6 Fra enkelte SOFCer til et produkt By et system med SOFC brændselsceller Luft Naturgas Brændstofforbehandling SOFC Stack DC/AC Konvert. Strøm til bruger Varmvands beholder Varme til bruger De fleste af systemkomponenterne (Balance of Plant BoP) skal udvikles og skræddersyes til SOFCer 6 DTU Energy, Technical University of Denmark

7 Kender I til kommercielle SOFC Hvad er udfordringer for at komme på markedet? 7 DTU Energy, Technical University of Denmark

8 Kender I til kommercielle I moderne tid har brændselsceller fået deres første kommercielle anvendelser inden for rumfart, fordi ydelse, pålidelighed og størrelse er mere afgørende end prisen på dette anvendelsesområde. I disse år trænger forskellige typer brændselscellesystemer imidlertid frem på nichemarkeder, hvor brændselscellesystemernes særlige fortrin kan kompensere en relativ høj anskaffelsespris. From 8 DTU Energy, Technical University of Denmark

9 Eksempler på kommercielle SOFC produkter 9 DTU Energy, Technical University of Denmark

10 Eksempler på kommercielle SOFC produkter Japan 10 DTU Energy, Technical University of Denmark

11 Eksempler på kommercielle SOFC produkter Japan Japan har i mange år haft et stort støtteprogram for udvikling af SOFC brændselsceller Første kommercielle produkter blev støttet 11 DTU Energy, Technical University of Denmark

12 Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)~50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5% Osaka Gas, 2009 Japan From imgrefurl=http%3a%2f%2fglobal.kyocera.com%2fnews%2f2012%2f0305_woec.html&h=267&w=400&tbnid=oqnpg3jvvb5_s M%3A&docid=NVdCcArymyvn_M&ei=C1cOVqapIIKosgHBzJKYCQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1583&page=1&start=0&ndsp= 42&ved=0CCQQrQMwAmoVChMI5trO_cSjyAIVApQsCh1BpgST 12 DTU Energy, Technical University of Denmark

13 Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)~50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5% Osaka Gas, 2009 Japan From 27_latest_developments_in_the_ene-farm_scheme.pdf From imgrefurl=http%3a%2f%2fglobal.kyocera.com%2fnews%2f2012%2f0305_woec.html&h=267&w=400&tbnid=oqnpg3jvvb5_s M%3A&docid=NVdCcArymyvn_M&ei=C1cOVqapIIKosgHBzJKYCQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1583&page=1&start=0&ndsp= 42&ved=0CCQQrQMwAmoVChMI5trO_cSjyAIVApQsCh1BpgST 13 DTU Energy, Technical University of Denmark

14 Eksempler på kommercielle SOFC produkter USA 14 DTU Energy, Technical University of Denmark

15 Eksempler på kommercielle SOFC produkter Produkt: Strøm USA Clean Energy: Bloom Energy delivers Better Electrons Base load output (net AC) 250 kw Fuels Natural gas, directed biogas Cumulative electrical efficiency (LHV net AC) 52-60% From 15 DTU Energy, Technical University of Denmark

16 Eksempler på kommercielle SOFC produkter Kunder: USA From 16 DTU Energy, Technical University of Denmark

17 Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkter Europe 17 DTU Energy, Technical University of Denmark

18 Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkter Mindre enheder på campinggas Europe 18 DTU Energy, Technical University of Denmark

19 Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkter Mindre enheder på campinggas Europe Off-grid, Eneramic, A Reliable and Cycleable 100W SOFC System Compact SOFC battery hybrid system, operation on commercially available fuels. Product E2.0: Application test of Power output 110 W eneramic system Efficiency 24 % power supply of LED-board for Volume 55 l urban Weight 23 kg traffic control S. Reuber, S. Megel, C. Jürgens, T. Pfeifer, M. Bednarz, C. Wunderlich and A. Michaelis, ECS Transactions, 68 (1) (2015) 19 DTU Energy, Technical University of Denmark

20 Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkter Mindre enheder på campinggas Europe Off grid, EN 500 P The EN 500 P installed on a 12 meter house boat in Germany Schematic application of the SOFC system as a battery hybrid system EFCF Lucerne 2014, The EN 500 P a compact and highly efficient SOFC module for various off-grid markets, Matthias Boltze, Gregor Holstermann, Arne Sommerfeld, Alexander Herzog, Company & Major groups development Chapter 04 - Sessions A06/A08-73/96 Status II & III: Worldwide 20 DTU Energy, Technical University of Denmark

21 Omfangsrig demonstration SOFC i huse Projekt: EU ene.field Europe 21 DTU Energy, Technical University of Denmark

22 Omfangsrig demonstration SOFC i huse Projekt: EU ene.field Europe 22 DTU Energy, Technical University of Denmark

23 Omfangsrig demonstration SOFC i huse Projekt: EU ene.field, ~900 enheder Europe Denmark UK Netherlands Germany Belgium Luxembourg France Switzerland Austria Slovenia Italy 23 DTU Energy, Technical University of Denmark

24 Omfangsrig demonstration SOFC i huse Projekt: EU ene.field Europe Vaillant has provided the historical Logherberhaus Hotel Eva Ravn Nielsen, Jonathan Hallinder 24 DTU Energy, Technical University of Denmark

25 og Danmark? Danmark 25 DTU Energy, Technical University of Denmark

26 og Danmark? Topsøe Fuel Cell SOFCer: Danmark Truck APU, AVL SOFC Systems Installation position for the APU on the U.S.-market Volvo Class 8 demonstrator SOFC developed at Risø (now DTU Energy) XIII. SOFC Okinawa 2013, Juergen Rechberger et al. AVL List GmbH, Graz, Austria EFCF Luverne 2014, J. Rechberger, A. Kaupert, C. Greisen, R. Johansson, L. Blum 26 DTU Energy, Technical University of Denmark

27 og Danmark? Topsøe Fuel Cell SOFCer: Danmark 20 kw APU SOFC developed at Risø (now DTU Energy) Danish SOFCs and stacks, installed by Finnish Wärtsilä on ship owned by Swedish Wallenius Lines More than 1250 hours under harsh conditions on board the cargo vessel Undine sailing between Europe, North America and Southeast Asia demonstrated. Unit running on methanol fuel, Haldor Topsø A/S has supplied the methanol methanator catalyst for the fuel processing. 27 DTU Energy, Technical University of Denmark

28 og Danmark? Danmark Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i DTU Energy, Technical University of Denmark

29 og Danmark? Danmark Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i 2014 SOFC forskningen fortsætter på DTU Energi i samarbejde med internationale universiteter og virksomheder SOFC developed at Risø (now DTU Energy) 29 DTU Energy, Technical University of Denmark

30 Opsamling Vi vil bevare et godt miljø for vores planet! Regeringens mål er et dansk samfund baseret på 100 pct. vedvarende energi i energi- og transportsektorerne i Hvordan kan vi dække vores behov med det, naturen tilbyder? Vi skal konvertere energi fra vedvarende kilder til energiformer vi kan bruge, på de tidspunkter hvor vi har brug for dem. Vi skal udvikle teknologier, der kan Producere strøm, når det ikke er muligt fra vedvarende kilder (fra vind, sol, ) Gemme strøm, når der produceres mere fra vedvarende kilder end vi lige kan forbruge 30 DTU Energy, Technical University of Denmark

31 Opsamling Brint eller naturgas, biogas, mm. Vinden blæser ikke, Vinden blæser ikke, solen skinner ikke og vi har brug for strøm Brændselscelle Luftelektrode Elektricitet og varme Fastoxidelektrolyt Brint og andre gasser (metan) eller væsker (metanol) Brintelektrode Elektrolyse Vinden blæser stærkt om natten, hvor vi ikke lige har brug for strøm Elektricitet, vanddamp (og kuldioxid) DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

32 Opsamling Med SOFC: Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt O 2 fastoxid elektrolyt H 2 32 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

33 Opsamling Med SOFC: Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt O 2 Og reagerer hver for sig på elektroderne luft O 2 + 4e - 2O 2- elektrode fastoxid O 2- elektrolyt brint elektrode 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - H 2 33 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

34 Opsamling Med SOFC: Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt O 2 Og reagerer hver for sig på elektroderne Solid oxide electrolysis cell - SOEC luft O 2 + 4e - 2O 2- elektrode fastoxid O 2- elektrolyt brint elektrode 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - Solid oxide fuel cell - SOFC e - H 2 34 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

35 Opsamling Med SOFC: Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt O 2 Og reagerer hver for sig på elektroderne Solid oxide electrolysis cell - SOEC luft O 2 + 4e - 2O 2- elektrode fastoxid O 2- elektrolyt brint elektrode H 2 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - Solid oxide fuel cell - SOFC? CO 2CO + 2O 2-2CO 2 + 4e - e - 35 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

36 Opsamling Med SOFC: Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt O 2 Og reagerer hver for sig på elektroderne Solid oxide electrolysis cell - SOEC luft O 2 + 4e - 2O 2- elektrode fastoxid O 2- elektrolyt brint elektrode H 2 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - Solid oxide fuel cell - SOFC Kulbrinter (naturgas, biogas, diesel, etc.)? CO 2CO + 2O 2-2CO 2 + 4e - e - 36 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

37 Opsamling Vi laver strøm ved hjælp af en SOFC brændselscelle O 2 Solid oxide electrolysis cell - SOEC air O 2 + 4e - 2O 2- electrode solid oxide O 2- electrolyte fuel electrode 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - Solid oxide fuel cell - SOFC e - H 2 37 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

38 Opsamling Vi laver strøm ved hjælp af en SOFC brændselscelle O 2 Solid oxide electrolysis cell - SOEC air O 2 + 4e - 2O 2- electrode solid oxide O 2- electrolyte fuel electrode 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - Solid oxide fuel cell - SOFC e - H 2 38 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

39 Opsamling Vi gemmer strøm ved hjælp af SOEC elektrolyse O 2 Solid oxide electrolysis cell - SOEC air 2O 2- O 2 + 4e - electrode solid oxide O 2- electrolyte fuel electrode 2H 2 O + 4e - 2H 2 + 2O 2- Solid oxide fuel cell - SOFC e - H 2 39 DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen Akademiet 2015

40 Opsamling Forsøg med brændselsceller Tape casting Sprøjtning Silketryk Sintring Fremstilling LSC/CGO, PLD CGO LSCF/CGO, PLD CGO LSCF/CGO, Spin-coated CGO LSCF/CGO, Sprayed CGO LSM/YSZ Afprøvning Ucell/ [V] T cell = 650 ºC; fuel q= 25 ml min -1cm-2; Xa H2 = 0.8, a H2O X = 0.2; oxidant q = 146 ml min -1cm-2, Xc O2 = j cell / [A cm -2 ] Mikroskopi 40 DTU Energy, Technical University of Denmark

41 Opsamling Første SOFC-systemer kan købes Anvendelser rækker fra små, bærbare <1 kw op til store MW systemer Intens international forskning, udvikling og demonstration 41 DTU Energy, Technical University of Denmark