SOFC brændselsceller i Danmark

Transkript

1 + SOFC brændselsceller i Danmark Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller Partnerskabet for Brint og Brændselsceller

2 + Indhold 1 Indledning 3 2 SOFC s teknologifordele 4 3 Danmarks muligheder 5 4 Markeder Kombineret varme og kraft (CHP) Mikrokraftvarme (Mikro-CHP) Mobil hjælpekraft (APU) Fremtidige markeder 12 5 De danske partnere Topsoe Fuel Cell DTU Energikonvertering Dantherm Power 15 6 Strategi og udviklingsplaner, teknologi Celler Stakke og PowerCores System Fremstilling 22 7 Strategi og udviklingsplaner, markeder Kraftvarme (CHP) Mikrokraftvarme (mikro-chp) Mobil hjælpekraft (APU) 29 8 Perspektiver 32 Roadmap 33 Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 2

3 1 Indledning Fremtidens mål inden for klima og bæredygtig energiproduktion gør det nødvendigt, at udvikle nye og bedre energiteknologier og tage disse i brug. De opstillede mål og visioner indebærer enorme udfordringer for den teknologiske udvikling og har sparket massive indsatser i gang verden over. Energi, energiforsyning og energiteknologier er i dag blevet centrale indsatsområder for enhver statsmagt, og området er blevet genstand for en stadig mere intensiv konkurrence. Brændselscellebaserede teknologier har et stort potentiale for at indgå effektivt i den fremtidige energiforsyningsstruktur. Højtemperatur brændselsceller, der baserer sig på SOFC-princippet (Solid Oxide Fuel Cell) har en række unikke egenskaber, som muliggør betydeligt højere energieffektivitet, mere effektive energiinfrastrukturer samt lavere emissioner sammenlignet med situationen i dag. Dansk forskning og udvikling inden for SOFC tilhører i dag verdenseliten. Udviklingen er sket i et effektivt samspil mellem private og offentlige aktører og midler og strækker sig over mere end 25 år. SOFC repræsenterer næste generations brændselscelleteknologi, som rummer store muligheder for at opnå forbedringer inden for produktion og konvertering af energi. For at målrette udviklingsarbejdet udsendte Energistyrelsen, Elkraft System og Eltra i 2003 en overordnet strategi for brændselscelleudviklingen i Danmark, og i 2005 kom en national strategi for hele brint- og brændselscelleområdet. Som led i strategiarbejdet udarbejdes der mere detaljerede strategier med roadmaps for de enkelte teknologiområder. Nærværende dokument er en opdatering og afløser for de tidligere strategier for udvikling og produktion af danske SOFC-brændselsceller og brændselscellesystemer. Strategien skal sikre, at Danmark fortsat kan beholde og udbygge sin plads blandt de verdensførende i SOFC-teknologien, samt at der kan drages nytte af den investering, der er foretaget til dato fra offentlige samt private aktører. En fortsat indsats inden for SOFC vil endvidere medvirke til at Danmark positionerer sig internationalt inden for miljørigtige og innovative energiteknologier, hvilket vil styrke dansk eksport og bidrage til nye arbejdspladser i Danmark. De danske SOFC-aktører har udarbejdet en teknisk/forretningsmæssig roadmap, der skitserer nødvendige mål og milepæle frem til Der vil fortsat være behov for offentlig økonomisk støtte til udviklingen, da omkostningerne med at udvikle og modne SOFC-teknologien frem mod fuld industrialisering vil være omfattende og behæftet med betydelig risiko. Demonstration af SOFCteknologien er ikke ensbetydende med, at teknologien er moden, konkurrencedygtig og markedsklar. Kontinuerlige forbedringer af for eksempel levetid, robusthed og pålidelighed er erkendte udfordringer. Men de relativt små produktionsvoluminer, der efterspørges til den kommende tids test- og demonstrationsprogrammer gør det også vanskeligt at nedbringe priser samt produktionsomkostninger til et konkurrencedygtigt niveau. De seneste års udvikling har bragt SOFC-brændselscellerne ind i en ny fase. Her har erfaringer fra opskaleret produktion og pilotskalaproduktion på test- og prototypeniveau skabt grundlag for udvikling af SOFC-produkter, der kan indgå i udvidede demonstrationsprogrammer. Der har de seneste fem år været gennemført en række test af SOFC-stakke i systemer, der opererer under reelle driftsbetingelser. Disse tests har medvirket til at identificere de udfordringer og tekniske problemer, der stadig mangler at blive løst, inden en moden SOFC-teknologi står klar til markedsføring. På denne baggrund er der etableret en viden, som ikke kunne være opnået på anden vis, og som vil blive udnyttet i den kommende tids arbejde med problemløsning og produktmodning. Der er i denne version af strategien derfor et øget fokus på produktmodning i forbindelse med markedskravene til brændselscellesystemer og planerne for demonstration af teknologien. Det er i sig selv en væsentlig succes for den danske forskning og udvikling at være nået til dette stadie. Samtidig er det en afgørende udfordring for teknologiens fremtidige udvikling, da industriel produktion og markedsindtrængning fortsat rummer betydelige udfordringer samt kræver store investeringer. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 3

4 2 SOFC s teknologifordele Den vedvarende store internationale indsats på SOFC-brændselscelleteknologien afspejler teknologiens mange fordele og muligheder, både set i forhold til traditionelle kraftteknologier og til andre brændselscelleteknologier. SOFC s teknologifordele og muligheder peger endvidere på betydelige potentialer i forbindelse med fremtidens visioner inden for energi- og klimapolitik. SOFC-teknologien er således karakteriseret ved: SOFC har en høj elvirkningsgrad: Med henblik på ressourcebesparelse samt minimering af CO2 emission vil virkningsgraden ved produktion og distribuering af el og varme få en større og større betydning. Selv mindre decentrale SOFC-anlæg vil kunne opnå elvirkningsgrader på højde med store centrale kraftværker. Den relativt høje driftstemperatur i SOFC-systemet kan resultere i en effektiv udnyttelse af spildvarmen til varmeforsyning. Endvidere medfører den høje driftstemperatur, at naturgas eller biogas kan omsættes mere effektivt, hvormed SOFC opnår en højere virkningsgrad end andre brændselscelletyper. SOFC kan udnytte forskellige typer brændsler: Høj driftstemperatur foruden SOFC-elektrolyttens særlige egenskaber gør, at SOFC er langt mere fleksibel end andre brændselscelletyper med hensyn til valg af brændsler som f.eks. naturgas, biogas, metanol, diesel eller brint. SOFCteknologien vil derfor passe ind i fremtidens energisamfund, hvor biogasressourcer skal udnyttes så effektivt som muligt. Den høje grad af brændselsfleksibilitet gør desuden SOFC potentielt egnet til visse segmenter inden for transportsektoren, hvor diesel, benzin, metanol eller DME anvendes som brændstof. SOFC-teknologien har gode miljøegenskaber: Høj virkningsgrad giver lave CO2 emissioner, og afgangsgassen er fri for NOx og SOx. Desuden vil CO2 lettere kunne opsamles i forbindelse med større SOFC-anlæg, da den producerede CO2 ikke er opblandet med ilt og kvælstof fra luften. Det vil gøre det væsentligt lettere og mere effektivt at opsamle, lagre eller bortskaffe CO2 sammenlignet med metoder, der kan anvendes i konventionelle kraftteknologier. Dermed knytter SOFC sig direkte og optimalt til fremtidens CCS teknologier. Et SOFC-anlæg indeholder kun få bevægelige mekaniske komponenter, hvilket resulterer i lave støjemissioner, høj driftssikkerhed og minimalt vedligehold. SOFC kan indfases i Smart Grid : Da fremtidens elproduktion i stigende grad vil blive baseret på vindkraft og andre vedvarende energikilder, vil der løbende blive behov for en effektiv balancering af elforbrug med elproduktion. SOFC-systemer kan designes med henblik på en regulerbarhed til under 30 % af nominel last uden væsentlige tab af virkningsgrad. Responstiden kan være meget kort, helt ned til få sekunder, når systemet er i standby tilstand. Som følge af den høje elvirkningsgrad samt høje brændselsfleksibilitet (naturgas, biogas, m.m.) vil SOFC-anlæg være særligt velegnet til at levere komplementær elproduktion til afbalancering af vindkraft. Den gode regulerbarhed og høje virkningsgrad selv i mindre SOFC-kraftvarmesystemer gør, at elsystemets såvel som varmeforbrugets behov for fleksibilitet kan tilgodeses. SOFC som elektrolysator (SOEC): En SOFC-stak kan anvendes både som en elgenerator og som en elektrolysator, hvor vand spaltes til brint og ilt eller CO2 spaltes i CO og ilt under tilledning af el. Forsøg har vist at én og samme stak kan skifte imellem at fungere som elproducerende SOFC eller som brint producerende SOEC. Da SOEC anlæg vil kunne konvertere el til brint med højere virkningsgrader end andre typer elektrolysatorer, tegner SOFC/SOEC teknologierne interessante perspektiver for fremtidens energiproduktion samt lagring af elektricitet. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 4

5 3 Danmarks muligheder Der satses store beløb på udviklingen af SOFC-brændselsceller i både Europa, USA, Sydkorea, Australien og Japan, og den internationale konkurrence er intens. Ikke desto mindre er den danske SOFC-udvikling teknisk helt i front, og der er god grund til optimisme omkring Danmarks muligheder for at gøre sig gældende på området. Det skyldes en række forskellige faktorer: Tværfagligt forsknings- og udviklingsmiljø: SOFC-udvikling kræver et tæt samspil mellem mange forskellige faglige discipliner, f.eks. avanceret keramik, elektrokemi, katalyse, materialevidenskab og faststofkemi. Danmark har internationalt stærke forskningsmiljøer på en række af disse felter. Desuden har Danmark en stærk tradition for tværfaglighed. DTU og Topsoe Fuel Cell (TOFC) har i fællesskab opbygget et udviklingsmiljø, der dækker alle de nødvendige discipliner. Begge parter har endvidere opbygget et solidt internationalt netværk med de bedste videnspartnere. Den store offentlige støtte har været stærkt medvirkende til, at Danmark er placeret helt fremme inden for forskning i SOFC-teknologien. Både DTU og TOFC har som supplement til de danske fonde været stærkt aktive i at etablere projekter i EU regi med udvalgte europæiske projektpartnere. Samarbejdet i europæiske projekter har sikret en effektiv import af viden fra europæiske videnscentre. Tæt samarbejde mellem forskning og industri: Det er afgørende for at bringe videnskabelige resultater ind i udviklingsarbejdet, at der findes et tæt samarbejde mellem forskning og industri. Den danske SOFC-indsats er forbilledlig i den henseende, med en daglig interaktion mellem forskere og industriudviklere. Den udprægede tradition for forskning og udvikling hos Haldor Topsøe A/S og TOFC har skabt et effektivt samarbejde med en høj grad af synergi imellem DTU og TOFC. Stor indsats: Det samlede antal forskere, ingeniører og teknikere, der er involveret i den samlede danske indsats for SOFC-teknologien, er en af de største på verdensplan. Relevant hjemmemarked: Danmark har et stort antal industrivirksomheder inden for relevante områder såsom hjælpekomponenter og kraftvarme. Desuden gør det fintmaskede naturgasnet og kraftvarmesystem Danmark til en særdeles velegnet udviklingsplatform for flere af teknologiens nøglemarkeder. Det høje danske vidensniveau: Den udvidede viden og erfaring, som de danske aktører har opbygget forventes at kunne sikre, at færre tidskrævende og omkostningstunge fejltagelser vil indtræffe i det videre udviklingsforløb, samt at udviklingen frem imod markedsmodne pålidelige produkter vil kunne accelereres. Dermed har de danske SOFC-aktører en fordel i den globale konkurrence, og resultaterne såvel som den opnåede erfaring udgør en høj værdi for systemintegratorer, som vil positionere sig på markedet. Etablering af partnerskaber samt udvidelse af et effektivt supply chain netværk vil muliggøre, at teknologien kan blive industrialiseret hurtigere og mere omkostningseffektivt end hvad der ellers ville have været muligt. Den store danske indsats samt det generelle høje vidensniveau gør, at Danmark har særligt gode muligheder for at skabe et eksportmarked i konkurrence med udenlandske SOFC-producenter. I Asien er forventningerne til brændselscelleteknologien meget store og de potentielle markeder er enorme. De danske SOFC-aktører har været tidligt ude og skabt nære relationer og partnerskaber med potentielle aftagere i Korea og Japan. Dansk testmarked: På den korte bane vil introduktion af SOFC-teknologien på markedet primært fordre værdifuld erfaring om teknisk formåen, energiøkonomi, levetid og servicering. Test- og demonstrationsfasen, som går forud for introduktion på eksportmarkederne, kan med fordel Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 5

6 foregå i Danmark, idet der her allerede eksisterer en stor andel af mellemstore og mindre decentrale kraftvarmeanlæg koblet til elnettet. Den veludbyggede erfaring opnået med forskelligartede elproduktions- og eldistributionsteknologier gør Danmark særlig velegnet til demonstration af brændselscelleteknologien. 4 Markeder Generel introduktion Takket være SOFC-teknologiens fordele, har den potentiale til at blive den foretrukne energiteknologi i mange sektorer og til mange formål: Kombineret varme og elproduktion: øger den årlige driftstid og generelle effektivitet Mobil hjælpekraft: reducerer udgifter til brændstof og logistik Produktion af el uden for nettet: reducerer udgifter til brændstof og logistik Marineelektricitet reducerer emissioner Transport: øger effektiv anvendelse af brændstof og udvider aktionsradius Kraftproduktion: øger fleksibiliteten og muliggør effektiv afbalancering af elnettet SOFC-teknologien skal imidlertid være mere moden før den kan markedsføres kommercielt. Denne proces vil kræve en betydelig og vedvarende indsats inden for forskning og produktudvikling, samtidig med at det kræver store investeringer i anlæg til fabrikation af celler og stakke og samling af komplette systemer. Takket være den indsats danske partnere har ydet, er Danmark et af de førende lande på verdensplan hvad angår udvikling af SOFC-teknologien. Men det bør også nævnes, at den indsats og de ressourcer der kræves for at gøre teknologien fuldstændigt kommerciel, er større end det de danske partnere alene kan præstere samt, hvad et dansk marked kan honorere. Markedsintroduktion vil være styret af, at behovet og markedsmulighederne for SOFC-teknologien er meget større i andre lande end Danmark. Derfor må de danske partnere indgå internationale samarbejdsaftaler med højt potentiale med firmaer, der har de specifikke kompetencer og adgang til markeder målrettet SOFC-teknologien. Herved vil de danske partnere være i stand til at følge med den konkurrerende udviklingsindsats rundt omkring i verden, og samtidig vil de sikre en fortsat vækst i indtjeningen og jobs i Danmark gennem fremtidig eksport af SOFC kerneprodukter. For at sikre et gennembrud for SOFC-teknologien er det nødvendigt tidligt at fokusere på tidlige markeder, som indebærer gode chancer for kommerciel succes. CHP sektoren og den mobile sektor er udpeget som værende de mest lovende opstartsmarkeder. Rationalet, der ligger til grund herfor, vil blive forklaret i det følgende. Efterhånden som SOFC-teknologien er brudt igennem inden for disse segmenter, forventes det at flere og nye anvendelser vil blive vurderet. 4.1 Kombineret varme og kraft (CHP) På verdensplan går mere end 60 % af den samlede primære energi, som anvendes til produktion af elektricitet, tabt i form af uudnyttet spildvarme. Den kombinerede produktion og anvendelse af varme og elektricitet (CHP) er en effektiv proces til at mindske dette tab og anvende varmen, som er et biprodukt fra elproduktionen. SOFC s høje driftstemperatur betyder, at den varme der produceres sammen med elektriciteten kan opsamles ved en høj temperatur og derfor let kan anvendes med høj effektivitet. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 6

7 Figur 1: Energi flow i det globale elsystem. (Tallene er opgivet i Mtoe). IEA, Cogeneration and District Energy (2009). Effektiviteten af CHP-teknologien er imidlertid afgørende for dens muligheder og fordele. For at opnå fordele ved anvendelse af CHP er det vigtigt at tilpasse CHP-systemet til den varmeefterspørgsel, der er i den bygning eller det anlæg, hvor teknologien skal installeres. Lav eleffektivitet kan blive en begrænsende faktor, specielt i nye boligbygninger hvor varmeefterspørgslen er lav. Som en konsekvens heraf har SOFC-teknologien, med en elektrisk effektivitet på godt over 50 % en enestående fordel. Med tiden og efterhånden som SOFC-teknologien modnes og når en endnu højere effektivitet over 60 %, vil denne fordel blive endnu tydeligere. Disse høje effektiviter kan opnås selv for små systemer i størrelsesordenen 1kW. Nedenstående tabel er en oversigt over CHP teknologier med tilhørende elektrisk effektivitet. Teknologi Eksempel Elektrisk effektivitet Forbrændingsmotor, lille Honda ecowill, 1kWe 26 % Forbrændingsmotor, mellem Sokratherm GG201, 200kWe 34 % Forbrændingsmotor, stor Jenbacher 420, 1 MWe 42 % Mikro-gasturbine Capstone C60, 65kWe 29 % Combined cycle gasturbine alstom GT24, 280 MW 57 % Brændselscelle, PEM, lille toshiba ene-farm, 700 We 39 % Brændselscelle, SOFC, mellem Bloom Energy server, 100 kw, elproduktion uden CHP 52 % Brændselscelle, MCFC, stor fuel Cell Energy DFC 1,4MW 47 % Tabel 1: Konverteringseffektivitet af CHP-teknologier. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 7

8 I Danmark er CHP-konceptet allerede udbredt. Kraftværker kører som CHP, og fjernvarmenet er allerede udbygget i tætbefolkede områder. I mange andre lande i Europa og uden for Europa, er CHP ikke almindelig. I disse lande kan det være fordelagtigt ikke at investere i infrastrukturer til fjernvarmenet, men i stedet introducere distribueret CHP placeret tæt på aftageren. Disse anlæg kan være i størrelsen nogle hundrede kilowatt for boliger eller offentlige bygninger, eller endog så små som 1kW for enfamiliesboliger. Figur 2: CHP s andel af national elproduktion. Kilde: IEA, Cogeneration and District Energy (2009). EU har udpeget CHP-teknologien som et middel til at øge den totale energieffektivitet i alle medlemslande. Dette beskrives i EU direktivet 2004/8/EC, hvor alle medlemslande opfordres til at identificere potentialet for samproduktion og for at indføre en politik for samproduktion. I rapporten European Energy and Transport Trends for 2030, som er udgivet af EU-Direktoratet for Transport og Energi, antages det, at 20 % af elproduktionen over et EU gennemsnit kommer fra CHP-anlæg. Det potentielle marked i Europa for sådanne SOFC-systemer er allerede i dag ganske betydeligt, omkring 600MWel på årsplan, og det forventes at stige til 1GWel årligt i Markedet består dels af en stigning i den installerede kraftvarmekapacitet og dels af repowering forstået som udskiftning af eksisterende kraftvarmeanlæg. Markedsskønnet er baseret på et eksisterende energiscenario og vil derfor kunne forventes at vokse yderligere som følge af strammere klimalovgivning, og introduktion af nye teknologier som SOFC. I Danmark var der i 90 erne en gunstig CHP politik, som fremmede installationen af et stort antal decentrale CHP anlæg med gasmotorer og turbiner med i alt næsten 400 anlæg med en samlet elektrisk ydeevne på ca. 1GW. I de seneste år er mange af anlæggene blevet dyre at drive, motorerne nærmer sig nedslidning, og fremtiden er usikker for anlæggene. Det ville være interessant at evaluere, om en ny generation af CHP-systemer, baseret på SOFC-teknologi, kunne forbedre businesscasen for disse anlæg, og samtidig skabe et hjemmemarked i Danmark for SOFC CHP systemer. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 8

9 4.2 Mikrokraftvarme (Mikro-CHP) Mikrokraftvarme udgør det mindste CHP-system. Ved anvendelse af mikro-chp anlæg er det enkelte enfamilieshus eller evt. en lejlighed udstyret med et selvstændigt lille anlæg i størrelsesordenen 300W til 1kW afhængig af behovet for kraft og varme. Denne teknologi er specielt velegnet i lande og områder, som har et gasledningsnet men ikke nogen distriktsinfrastruktur til opvarmning. POWER GRID MICRO CHP UNIT GAS GRID Figur 3: Koncepttegninger for mikro-chp. Kilde: Dansk Mikrokraftvarme Det samlede markedspotentiale for mikro-chp er meget stort, og størrelsen kan skønnes ved at tage markedet for gaskedler som udgangspunkt. Europa har omkring 115 million gaskedler i brug og et årligt salg af mere end 9 millioner enheder. Udvikling i salg af gaskedler Udvikling i antal opstillede gaskedler Enheder / År Enheder Salg af gaskedler 0 Opstillede gaskedler (forventet) (forventet) Figur 4: Installerede gaskedler og salg i Europa pr. år. Kilde: CODE-2 project. Samtidig er mange alternative energiløsninger, som dels er supplerende, dels konkurrerende, blevet tilgængelige for husejere, og disse kæmper alle om at få en del af det samlede marked. Hver af disse løsninger har sine egne unikke egenskaber, og dette gør det vanskeligt for husejeren at vælge den bedste løsning. Som det fremgår af nedenstående tabel vil mikro-chp i fremtiden kunne baseres på flere forskellige teknologier, hvor fordele og ulemper må afvejes i hvert enkelt tilfælde. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 9

10 Teknologi Kraft Varme Bemærkning El-nettet X Standardløsning, altid behov for Kondenseringsvandvarmer X Standardløsning, forskellige brændstoffer Elektrisk opvarmning X almindelig i visse nordiske lande og i Sydeuropa Fjernvarme X kun hvor der er infrastruktur Solenergi-PV X add-on løsning, mange installationer i Tyskland og Italien Solenergi, termisk X nicheteknologi Mikro-vindkraft X nicheteknologi Jordvarmepumpe X almindelig i Centraleuropa Luftvarmepumpe X almindelig i visse lande, erstatter elektrisk opvarmning Mikro-CHP, gasmotor X X Produkt tilgængeligt, moden teknologi, lav el-effektivitet (26 %) Mikro-CHP, Stirling X X Produkter tilgængelige, nyere teknologi, lav el-effektivitet (12 %) Mikro-CHP, brændselsceller X X På markedet i Japan, forsøg i marken i Europa, el-effektivitet 39 % (PEM) 60% (SOFC) Tabel 2: Tilgængelige teknologier for energiløsninger til boliger. Desuden påvirker de enkelte energiløsninger på forskellige måder energinettet, miljøet og samfundet generelt. På grund af dette og forskellige nationale politikker er nogle teknologier vokset markant, f.eks. solenergi (PV) og jordvarmepumper i Tyskland, og luftvarmepumper i Norden. Det kan endnu ikke afgøres, hvilken position mikro-chp med tiden kan opnå i markedet. Mikro-CHP teknologien rummer en række fordele, som gør den attraktiv i forbindelse med boliginstallationer, hvor endvidere forsyningsselskaber og elnetoperatører kan drage fordele af denne teknologi: Høj udnyttelse af den primære energi som følge af høj total virkningsgrad (ca. 90 %) Reduktion af belastning på høj- og mellemspændings elnettet Teknologi der passer ind i fremtidens smart grid Afbalancering af elnettet med høj eleffektivitet På længere sigt kan det forventes, at mikro-chp vil kunne få andel i en væsentlig del af gaskedel markedet. På kortere sigt kan det europæiske marked for mikro-chp (alle teknologier) ifølge industrianalytikere opnå et årligt salg på til enheder (omkring år 2020). Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 10

11 Figur 5: En analytikers syn på det europæiske mikro-chp marked Kilde: Delta ee. 4.3 Mobil hjælpekraft (APU) Hjælpekraft har anvendelse på mange forskellige typer af køretøjer og fartøjer. Den tidligste markedsindtrængning vurderes at kunne ske inden for tunge lastbiler og derefter i fritidsmarkedet. Lovgivning, der begrænser omfanget af motortomgang, er indført i 21 stater i USA og er landsdækkende i Canada. Tilsvarende regler findes i mange dele af Europa. Nedenstående figur viser udviklingen i lovgivningen fra 2009 til 2011, som favoriserer brugen af APU-systemer. National lovgivning kombineret med vigtigheden af et grønt image, særligt på det amerikanske marked, vil fremtidigt kunne accelerere udviklingen af brændselscellebaserede APU systemer til truck-markedet. Som det ses på nedenstående figur varierer lovgivningen meget mellem de enkelte stater og kan for eksempel være begrænset til udvalgte stater eller byer. Dette indebærer, at tomgang i mere end fem minutter er forbudt, eller helt forbydes og straffes med bødeforlæg. Det kan forventes, at Californien, som det er sket i lignende tilfælde tidligere, vil fungere som foregangsstat med sin progressive holdning til miljørestriktioner. Det er derfor sandsynligt, at tunge lastbiler i Nordamerika inden for en kort årrække skal være udstyret med en teknologi, som leverer strøm, når lastbilen er stoppet. Til den brug vil en APU- baseret på et SOFC-system være en attraktiv mulighed. Figur 6: Globalt set er Nordamerika samt Canada de suverænt vigtigste markeder for hjælpekraft. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 11

12 Lastvogne med sovekabine, kategoriseret som Class 8 Trucks, besidder det største potentiale for den SOFC-baserede hjælpekraft, der skal sikre chaufføren komfort (køling/varme) samt strømforsyning til elektrisk udstyr under stilstand. Den netbaserede tjeneste FleetOwner, har undersøgt trenden hos producenter og forhandlere af Class 8 trucks, i ovennævnte geografiske område. I år 2011 nåede man et årligt antal på solgte enheder, med en stigende tendens frem mod år 2012, hvor salget nåede næsten enheder tegner til at flade lidt ud, med et forventet salg ligeledes på enheder mens 2014 af nogle producenter estimeres til et årligt volumen på enheder. Der er tale om en eksisterende flåde der ældes, med et potentielt behov for at udskifte aldrende udstyr. Der er således en trend, at volumen øges ved den landbaserede transport i Nordamerika og Canada. Fritidsmarkedet For fritidsmarkedet er der vist stor interesse for SOFC-teknologien fra amerikanske og europæiske leverandører af udstyr til denne industri. Dette skyldes SOFC-teknologiens høje elektriske effektivitet samt det lave lydniveau. Det gælder i særdeleshed kraftforsyning til lystbåde og til autocampere. For APU-enheder til lystbåde forventes det, at de amerikanske stater med de største salg af store motorbåde, dvs. Florida, Californien og staterne omkring de store søer i USA, vil blive de største markeder sammen med Storbritannien og Middelhavsregionen. Det samlede marked er vanskeligt at vurdere, fordi lystbåde er af meget forskellige størrelser og vil kræve mange forskellige produktvarianter med forskellig elektrisk ydelse. Der er dog tale om et betydeligt potentielt marked. Således viser oplysninger fra National Marine Manufacturers Association, at der blev solgt omkring store motorbåde i 2007 i USA. For en stor del af disse vil det være relevant at have en APU-enhed baseret på SOFCteknologi med diesel som brændsel. Et interessant nichemarked er de meget store yachts, hvis antal også har været stigende siden Der er tale om et ret begrænset antal på cirka 900 i Ejernes købedygtighed kan dog gøre teknologien attraktiv på et tidligere tidspunkt end for massemarkedet. Autocampermarkedet er også interessant. Her vil støjsvaghed og virkningsgrad ligeledes være vigtige parametre. I USA sælges årligt cirka klasse A autocampere og det er for disse, at SOFC-teknologien først forventes at kunne vinde indpas. Senere forventes SOFC-baserede hjælpekraftanlæg at brede sig til de mindre autocampere i USA og til de europæiske autocampere; et marked som er ti gange større end amerikanske klasse A autocampere. 4.4 Fremtidige markeder Off-grid elektricitet Til off-grid elproduktion på telecom basestationer, langs pipelines og i fjerntliggende landsbyer er små dieselgeneratorer dominerende og kan i dag købes til forholdsvis lave priser. Driftsmæssigt byder dieselgeneratorer ikke på den mest økonomiske løsning. For det første bliver de samlede udgifter til brændstof høje, fordi små generatorer har en lav elektrisk effektivitet (12-25 %). For det andet er omkostningen til levering af brændstof i off-grid områder mere end 10 gange så høj som i områder med en god infrastruktur. For det tredje er behovet for vedligeholdelse ved kontinuerlig drift stort og skal foretages ofte. I fjerntliggende egne bidrager dette yderligere til de høje driftsomkostninger. SOFC-teknologien giver en højere elektrisk effektivitet og vil kunne reducere brændstofforbruget med 50 til 80 %. Ud over dette vil intervallerne for vedligeholdelse af en generator baseret på SOFCteknologien kunne forlænges betydeligt, fordi hyppige olieskift og eftersyn ikke længere er påkrævet. Marineelektricitet Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 12

13 En af de største problemstillinger inden for shippingindustrien er strengere miljøkrav. Allerede i dag er Østersøen og de amerikanske kyster underlagt udledningskontrol (Emission-Controlled Areas), som ikke tillader afbrænding af tung dieselolie. I fremtiden vil SECA Tier II og III regulativer blive indført af IMO, og dette vil reducere den tilladte udledning af svovl. Disse lovkrav kombineret med et pres for at reducere driftsomkostningerne gør, at shippingindustrien er meget optaget af at finde nye teknologier, der kan erstatte standard fuelolie-motoren. Før disse nye teknologier bliver mainstream, vil de blive indført på specielle fartøjer såsom yachts, færger i fast rutefart eller endog undervandsbåde. Da mange af disse skibes design er dieselelektrisk og kun behøver elektricitet til fremdrift, er der skabt en enestående mulighed for at SOFC-teknologien kan modernisere shippingindustrien. Typisk er de dieselgeneratorer, der bruges på skibe, i en størrelsesorden fra 500kW til adskillige MW. Mindre generatorer, baseret på lastbilsmotorer, som leverer nogle hundrede kw, bruges i nogle få tilfælde. Under alle omstændigheder skal et SOFC-system ombord på et skib yde mindst 200kW og helst 500kW. En opskalering af SOFC-teknologien hen imod større systemer vil derfor være nødvendig til disse anvendelser. Elproduktion Den almindelige elproduktion domineres af store elværker med dampturbiner eller combined cycle gasturbiner, som yder adskillige hundrede megawatt elektricitet med en lav, specifik investeringsudgift. Det kan umiddelbart synes vanskeligt for SOFC-teknologien at konkurrere på disse vilkår. Allerede i dag løber mange store baseload kraftværker imidlertid ind i driftsproblemer, når store mængder af elektricitet fra vedvarende energisystemer kommer ind på nettet. I fremtiden vil dette problem forekomme oftere og blive alvorligere, efterhånden som andelen af fluktuerende vedvarende energi stiger. Som en konsekvens af dette vil der opstå efterspørgsel på elproducerende systemer, der har en tilsvarende eller højere effektivitet end de eksisterende anlæg, men som samtidig vil kunne reagere hurtigt med henblik på at balancere elnettet. I kraft af SOFC-systemers modulerende egenskaber vil SOFC-anlæg i størrelsesordenen nogle MW med fordel kunne installeres decentralt på strategiske steder til balancering af elnettet. 5 De danske partnere De danske partnere, der arbejder målrettet med at udbrede SOFC-teknologien, repræsenterer værdikæden fra fundamental forskning og teknologiudvikling til systemintegration og forretningsudvikling. De kan således direkte eller gennem eksterne partnerskaber sikre, at teknologien fører frem til produkter, der kan afsættes og derved skabe arbejdspladser og eksportmuligheder (se også afsnit 8, Perspektivering). Det tætte samarbejde mellem forskning, teknologi og forretningsudvikling sikrer, at markedskrav er kendte og kan indarbejdes i forskningsstrategier og udviklingsprogrammer. Partnerne understøttes af det stærke og velunderbyggede nationale Partnerskabet for Brint og Brændselsceller. Disse primære danske aktører beskrives nedenfor. Ud over disse er en lang række andre virksomheder involveret i projekter i tilknytning til SOFC-teknologien, herunder underleverandører, hvor der eksisterer et stort potentiale for ekspansion og et øget antal arbejdspladser. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 13

14 5.1 Topsoe Fuel Cell TOFC fokuserer på udvikling, fremstilling og markedsføring af SOFC-teknologi. Selskabet er et datterselskab af Haldor Topsøe A/S, der har en årlig omsætning på ca. 650 millioner EUR. Haldor Topsøe har været involveret i SOFC-forskning og -udvikling siden slutningen af 1980 erne. I 2004 blev TOFC dannet for at fokusere udviklingen og kommercialiseringen af SOFC-teknologien. TOFC tæller i dag ca. 110 medarbejdere og råder over både udviklings-, produktions- og testfaciliteter. Bl.a. blev der i 2009 investeret i en større pilotproduktion af celler og stakke, og i disse år investeres der både i en udbygning af et samlet testcenter samt etablering af større laboratoriefaciliteter til materialeudvikling. TOFC satser på at kommercialisere SOFC-stakke og stakmoduler byggende på en omfattende IPR portefølje. Desuden udvikles integrerede hot-boxe, Topsoe PowerCores TM, der omfatter de varme -dele af et komplet system. Udviklingen af PowerCores TM giver dels den nødvendige kritiske viden og knowhow omkring performance af en stak i et system, men giver samtidig muligheden for en veldefineret grænseflade til systemintegrationen. Slutkunden nås ved partnerskaber med udvalgte integratorselskaber, der bygger de færdige systemer og varetager kanaler til markederne (inkl. marketing, salg og service). SOFC celler SOFC stakke SOFC moduler SOFC delsystemer SOFC systemer SOFC Salg & marketing Stakmoduler IP og KH Integration Figur 7: Illustration af TOFC kerneområder. TOFC har aktiviteter med partnere inden for tre applikationsområder: mikrokraftvarme, hjælpekraft til transportmarkedet samt decentral elproduktion. Der fokuseres på udvikling af celler, stakke og stakmoduler med henblik på at udvikle én stakplatform, der kan adressere flere markeder. Det sker for at kunne fokusere udviklingskræfterne og for hurtigt at kunne nå frem til en kommerciel produktion. Gennem etablering af partnerskaber vil TOFC som producent og leverandør af stakke og stakmoduler kunne accelerere etablering af kritisk knowhow vedrørende funktion og drift af integrerede SOFCsystemer sammenholdt med de specifikke krav, der stilles under de pågældende driftsbetingelser. Partnerskaber samt opbygning af supply chain netværk danner basis for en effektivisering af industrialiseringen af SOFC-teknologien. 5.2 DTU Energikonvertering Alle SOFC-aktiviteter fra Forskningscenter Risø og senere Risø DTU er per overgået til det nyskabte Institut for Energikonvertering og lagring på DTU. Instituttet fortsætter derved med forskning og udvikling af SOFC-brændselsceller og kan bygge på mere end 25 års erfaring. Indsatsen udgør i dag omkring 50 mandår om året, hvilket gør instituttet til en af de absolut største spillere på forskningsområdet internationalt. Forskningen spænder bredt fra materialer, keramisk fremstillingsmetoder, mikroskopi til test af celler og små stakke og bygger på tæt tværfagligt samarbejde. Der er stor fokus på, at den opnåede fundamentelle viden kan overføres til praktisk anvendelse og Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 14

15 videreudvikling af teknologien. For eksempel blev der på daværende Risø etableret en præpilot produktionslinje for brændselsceller. Knowhow fra denne opskaleringsproces af industriel relevante metoder blev overført til TOFCs pilotproduktion i Instituttets kapacitet for test af SOFC er blandt verdens største og blandt verdens bedste med henblik på kvalitet, instrumentering og automatisering. I et Testcenter for Brændselscelle- og Brintteknologier, stilles denne testkapacitet og den eksisterende viden om avanceret elektrokemisk test til rådighed for industrien. Siden 2001 har Risø DTU indgået i et tæt og frugtbart samarbejde med TOFC, hvilket har resulteret i den effektive teknologioverførsel, som er et af kendetegnene ved den danske SOFC-indsats. DTU Energikonverterings særlige styrkepositioner på SOFC-området i forhold til internationalt førende universitetsgrupper (f.eks. på University of St. Andrews, UK, Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland, Kyushu University, Japan) og forskningscentre (f.eks. Forschungszentrum Jülich, Tyskland, Pacific Northwest National Lab PNNL, USA) er: Mandskabsindsats direkte involveret i SOFC (blandt de højeste) kombineret med matrixstruktur på instituttet, der gør det muligt til dagligt at trække på endnu flere medarbejdere og mere udstyr (f.eks. fra teknologispor: SOEC, membraner). Stærk tværfaglighed inden for instituttet og de involverede sektioner (fysik, kemi, geologi, matematik, kemiteknik osv.). Kombination mellem fundamental forskning på nano- og materialeniveau (typisk for universitetsgrupper) og anvendt forskning. Der fabrikeres og testes f.eks. flere store SOFC-celler op til små stakke (typisk for forskningscentre) og tilhørende avanceret udstyr (f.eks. mikroskopi, storskala cellefabrikation og stor testkapacitet for celler). Stærkt fokus på teknologien og samarbejde med industri, der gør at både publikationer i videnskabelige tidsskrifter og patenter vægtes højt (under aftalen mellem Risø-TOFC blev der indleveret ca. 36 Risø og fælles Risø-TOFC SOFC-relaterede patenter). Tæt involvering i de relevante internationale SOFC-netværk og fora (IEA, EU Joint Undertaking, etc.) kombineret med aktiv deltagelse i international vidensudveksling gennem konferencer, forskningsophold og internationale projektsamarbejder. 5.3 Dantherm Power Dantherm Power A/S er en spin-off virksomhed fra Dantherm A/S. Dantherm Power A/S har ca. 40 medarbejdere, der arbejder med industriel forskning, udvikling, produktion og salg af brændselscellesystemer til mikrokraftvarme og nødstrøm. Dantherm påbegyndte arbejdet med SOFC-systemintegration i år Dantherm Power blev stiftet i 2008 med 100 % ejerskab af Dantherm A/S. I starten af 2010 fusionerede Dantherm Power med brændselscelleafdelingen hos Danfoss og fik en ekstra investor ind i form af den canadiske PEM-brændselscelleleverandør, Ballard Power Systems Inc. I 2013 trådte Azure fra Kina ind som medejer i stedet for Danfoss. Med ejerskabet fra Ballard, Dantherm og Azure har Dantherm Power adgang til en stor mængde IPR og produktionsfaciliteter samt markedsadgang via Dantherm og Azure. Med ca. 700 brændselscellesystemer i drift er Dantherm Power blandt de virksomheder, der har absolut mest erfaring med virkelige installationer med brændselscellesystemer. Med god markedsadgang, stor erfaring, førende teknologi og kontakt til de vigtigste europæiske gas- og energiselskaber, er Dantherm Power velpositioneret til at få succes med SOFC-baserede mikrokraftvarmesystemer. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 15

16 6 Strategi og udviklingsplaner, teknologi I det følgende beskrives strategi og udviklingsplaner for den danske SOFC-satsning primært i perioden frem til Den overordnede målsætning er at sikre, at den danske SOFC-udvikling til stadighed befinder sig i front internationalt i kraft af en vedvarende målrettet indsats samt et effektivt dansk og internationalt samarbejde. En fortsat udvikling, der sigter imod at opnå højere elvirkningsgrader er en forudsætning for at brændselscelleteknologien kan holde trit med fremtidens krav til balancen imellem varmeforbrug og elforbrug som beskrevet i kapitel 2. Strategien skal sikre, at dansk kommercialisering understøttes med basis i de overordnede udviklingsmål. Strategien indebærer, at der inden for en bred vifte af teknologidicipliner opnås et effektivt samarbejde og en udbygget vidensdeling samt at der uddannes forskere, teknikkere og ingeniører inden for disse felter. Udviklingsplanerne samt det tilhørende roadmap afspejler SOFCteknologiens høje grad af kompleksitet, som resulterer i at teknologiplanlægning på den lange bane (mere end 3-5 år frem) inkluderer et betydeligt omfang af ukendte og usikre parametre. Den hastige videnstilvækst gør det formålstjenesteligt at begrænse de mere detaljerede udviklingsplaner samt de kvantificerbare mål til en kortere tidshorisont, mens de overordnede fremtidige visioner beskrives frem til For at sikre en fokuseret indsat vil der løbende blive udarbejdet produktspecifikationer samt foretaget relevante justeringer af udviklingsplanerne med baggrund i den løbende vidensopbygning. Denne proces omfatter alle kerneprodukter der rækker fra celler over stakke til moduler. En detaljeret forståelse af teknologiens aktuelle stade, dens udfordringer og muligheder inddrages i en målrettet indsats for at anspore en strategisk udviklingen i den rigtige retning. 6.1 Celler Udviklingen af celler sker hos DTU samt hos TOFC. Fokus er på tre hovedtyper af SOFC-generationer, 2G, 2.5G og 3G, som adskiller sig dels ved deres bærende lag (support), og dels ved deres aktive komponenter, dvs. elektroder og elektrolyt. 2G og 2.5G tilhører den generelle celletype, der betegnes anodesupporterede celler (ASC) mens 3G cellerne tilhører den generelle celletype, der betegnes metalsupporterede celler (MSC), (se figur 8). De forskellige unikke valg af materialer og strukturer, der knytter sig til de forskellige generationer af celler, betinger, at cellerne fungerer optimalt ved forskellige driftstemperaturer. Elektrolytsupporteret Anodesupporteret Metalsupporteret LSM+YSZ YSZ LSM+YSZ YSZ ISCF CGO YSZ ISCF SSZ/CGO Ni+YSZ/LST Ni+YSZ Ni+YSZ Ni+YSZ FeCr Baseret op keramiske- eller metalsupporteret celler Optimal driftemperatur 1000 C 800 C 700 C 550 C Figur 8: SOFC-generationer i udviklingslinjen på DTU Energikonvertering og TOFC. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 16

17 Status De keramisk bårne celler (2G-2.5G) er tættest på at være produktmodnet og forventes derfor at indgå i de første kommercielle produkter. De metalsupporterede celler befinder sig endnu i et udviklingsstadie, hvor der stilles store forventninger til, at der på lidt længere sigt vil blive opnået væsentlige fremskridt med hensyn til øget robusthed, højere ydeevne ved lavere temperaturer, samt lavere udgifter til materialer. Finansieringen til celleudviklingen er sket med dansk (f.eks. EUDP, ForskEl, TOFC) og international støtte (f.eks. EU). Over de sidste år er der opnået betydelige fremskridt i celleudviklingen: Produktionsoverførsel 2G (2.5G) celler fra Risø/DTU Energikonvertering til TOFC: Mens al cellefremstilling for udvikling, test og demonstration op til 2009 foregik på Risø, sker produktionen nu hos TOFC. Samtidig satses der på at introducere mere miljøvenlige processer samt på at simplificere processerne med henblik på at reducere produktionsomkostningerne. Mens de bedste 2.5G celler i 2005 degraderede med stor hastighed over et par hundrede timer, har 2.5G typer i dag en betydelig bedre ydeevne samt lav degraderingsrate selv over flere tusinde timer (se figur nedenfor). 3G celler befinder sig stadig på udviklingsstadiet og er i dag fremstillet i størrelser på op til 300 cm2. Denne celletype repræsenterer et radikalt nyt design, som vil kræve en yderligere udvikling af såvel stak- som systemkoncepter, for at alle de potentielle fordele kan realiseres. Udviklingen baserer sig på en løbende forbedret viden inden for den komplekse sammenhæng imellem struktur materiale processer ydelse holdbarhed og driftsbetingelser. Figur 9: 2.5G cellen i 2012 (højre) yder langt bedre end den bedste 2.5G celle i 2005 (venstre). Den initiale ydeevne er omtrent den samme; men holdbarheden er markant bedre i den nye celle fra Den nye celle opnår de gode resultater ved en 50oC lavere temperatur. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 17

18 Overordnet set er de danskudviklede celler og stakke i dag blandt verdens bedste hvad angår ydelse og holdbarhed. 3G-cellen er en potentiel kandidat til næste generation SOFC-teknologi. Cellen har en radikal innovativ cellearkitektur, hvor det bærende lag består af et porøst metallag samtidig med at elektroderne og de tilhørende fremstillingsprocesser er radikalt anderledes, end tilfældet er for de ovenfor nævnte celletyper. I forbindelse med 3G udviklingen er nye innovative processer, der baserer sig på PVD tyndfilmsprocesser, infiltrering og multilagsstøbning blevet introduceret. 3G celler er samlet til stakke, hvor nye og forbedrede designkoncepter er afprøvet. Efter et omfattende udviklingsarbejde er det blevet muligt at producere disse bærende lag som understøtter et gastæt elektrolytlag. 3G-cellen er beregnet til drift ved lavere temperaturer, helt ned til 600 C, og er pga. dens bærende metalstruktur væsentligt mere robust end de keramiske anodesupporterede celler. Endvidere er anvendelsen af nikkel i den metalsupporterede celle reduceret med en faktor 100 sammenlignet med anodesupporterede celletyper, hvilket indebærer muligheder for at opnå en betydelig prisreduktion foruden visse miljøfordele. 3G cellen befinder sig endnu på forsknings- og udviklingsniveau, og der regnes med at gå 3-5 år før den er klar til at blive anvendt til demonstration på systemniveau. 3G teknologien udvikles inden for et europæisk konsortium, der koordineres af TOFC med deltagelse af DTU samt udvalgte europæiske videnspartnere. Projektet støttes af EU FCH JU samt ForskEl. Strategi og udviklingsplaner På celleområdet er indsatsområder relateret til videre celleudvikling, forbedring, afprøvning og celleproduktion. Det er altafgørende med en langsigtet forskningsindsats for til stadighed at holde sig i front med den teknologiske udvikling. Forsknings- og udviklingsarbejdet forventes fortsat at foregå hos DTU samt hos TOFC. Afgørende for teknologiens kommercielle succes er: Reduceret cellemodstand for at nå systemkrav: Dette kræver en endnu dybere forståelse af sammenhængen mellem nanostruktur/kemisk sammensætning og ydelse. Forøget holdbarhed og robusthed for at nå systemkrav og gøre teknologien konkurrencedygtig: Udviklingsarbejdet kræver en detaljeret karakterisering af cellerne både elektrokemisk og strukturelt under realistiske driftsbetingelser, samt en udvidet forståelse vedrørende betydningen af en række parametre som f.eks. materialeurenheder og urenheder i brændslet. En række kritiske parametre fordrer karakterisering og analyse på nanoniveau og indebærer et omfattende testarbejde over flere tusind timer under relevante, realitetsnære betingelser. Potentiale for omkostningsreduktioner: Billigere materialer og fremstillingsmetoder går hånd i hånd med optimering af nanostrukturer foruden en øget forståelse af materialeegenskaber, materialestabilitet samt procesegenskaber. At sænke driftstemperatur ved samme ydelse kan også have potentiale for lavere omkostninger og øget stabilitet. Målsætningerne specificeres mere kvantitativt i det følgende. I dag er alle markedsrelaterede tests og demonstrationsaktiviteter baseret på anodesupporterede celler af typerne 2.0 og 2.5G, og dette forventes at fortsætte ud over år 2015 med løbende forbedringer. I perioden 2013 til 2015 forventes det, at metalbårne celler (3G) vil blive testet og evalueret på 'proof of concept' niveau dels som enkeltceller og dels i forbindelse med nye stakkoncepter, som er skræddersyede til disse cellers særlige karakteristika. Videreudviklingen af 3.0G cellerne indebærer en analyse af deres fordele og ulemper, hvormed potentielle anvendelsesmuligheder vil blive identificeret. Inden for en 3-5 års tidshorisont forventes 3G cellerne at kunne vise sine fordele inden for anvendelser, Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 18

19 hvor mekaniske vibrationer, termiske cykler samt hurtig opstart vil udfordre systemerne. Samtidig vil de anodesupporterede celler blive videreudviklet, og der forventes at være en klar synergi imellem de parallelle celleudviklingsspor, idet blandt andet elektrodeudvikling samt forbedring af degraderingsegenskaber vil være fælles for såvel de anodesupporterede som de metalsupporterede celler. På sigt (efter 2015) vil de pågældende cellekandidater blive evalueret og sammenlignet med hensyn til definerede kravspecifikationer, hvorefter der vil blive truffet beslutninger om, hvilken celletype der skal indgå i opskaleret produktion. Ud over forbedringen af eksisterende celletyper er det også vigtigt til stadighed ikke at ignorere radikalt nye cellekoncepter. Et eksempel på et lovende indsatsområde på lidt længere sigt er tyndfilmbaserede celler, de såkaldte mikro-sofc med lav driftstemperatur (f.eks. ned til 400 C), som kan tænkes anvendt som batterierstatning i systemer på omkring 100 W. SOFC-teknologiens enorme udviklingspotentiale skaber muligheder for at introducere fortløbende, trinvise forbedringer, men også for at foretage radikale innovative nyskabelser med flere nye cellegenerationer, som rummer nye perspektiver for ydelse, anvendelse og pris. Generelt vil forsknings- og udviklingsarbejdet på DTU i takt med markedsmodningen af den eksisterende teknologi i højere grad kunne koncentrere sig om de fundamentale problemer, der bliver afgørende for teknologiens langsigtede succes over tidshorisonter på 5-10 år. Fokus kan også blive på andre områder, end de her identificerede markedsområder. Planen for det fortsatte udviklingsarbejde på DTU s præpilotanlæg er at gennemføre forskning- og udviklings projekter inden for ny celleproduktionsteknologi, nye materialer samt nye celledesign. Parallelt hermed vil TOFC målrettet fokusere på at øge reproducerbarheden og kvaliteten samt på at gennemføre procesforbedringer med henblik på at reducere fremstillingsomkostningerne. I samarbejde med DTU vil TOFC sikre, at nye cellematerialer og cellekoncepter evalueres og introduceres løbende i takt med konkurrencesituationen verden over. 6.2 Stakke og PowerCores Status Stakteknologien udvikles hos TOFC og er under stadig udvikling. Stakke baseret på den såkaldte 2G og 2.5G celleteknologi er demonstreret i større skala både i laboratoriemiljø og sammen med systemintegratorer, mens stakke baseret på 3G celleteknologi er demonstreret i mindre skala på R&D-niveau. Stakdesignet i dag er baseret på 2.5G celler samt indirekte lufttilledning (open air manifold) og direkte tilledning af brændselsgas (intern manifolding). TOFC har valgt at satse på udviklingen af én stakplatform (TSP) som kan integreres i forskellige modulkonfigurationer med henblik på forskellige anvendelser og markedssegmenter. Fordelen ved denne platform er at alle ressourcer derved samles omkring udvikling og fremstilling af ét kerneprodukt. Denne platform muliggør også at alle fremtidige resultater, som kommer fra test og demonstration, kan referere til det samme stakdesign, hvilket yderligere accelerer udviklingsprocessen. Et standard stakdesign muliggør hurtige leveringer, og forenkler ligeledes supporten hos kunderne. Dette strategiske valg er vigtigt for TOFC for at fremskynde udviklingen og bruge ressourcerne bedst muligst. Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 19

20 Platformstakken bruges i alle markedssegmenter. Et 6kW stakmodul (DG-modul) er blevet udviklet til brug i CHP-markedet og i decentral elproduktion. Dette modul er baseret på 4 stk. 1.5kW platformstakke monteret i en ramme med en fælles luft- og brændstofmanifolding og med et fælles kompressionssystem. Stakmodulets design bibeholdes som det er nu, og det er godt på vej til at blive et standard produkt, som er klart til at blive fremstillet af TOFCs Supply Chain, og brugt hos systemintegratorer til udvikling og demonstration af CHP og DG-systemer. Til hjælpekraft (APU) er der udviklet et 1.5kW modul med platformstakken indkapslet i form af en robust enhed. Det samme stakkoncept anvendes til mikrokraftvarmesegmentet, hvor stakken er kombineret med de respektive højtemperatursystemkomponenter i form af et integreret modul, der betegnes en PowerCore. Skridtet fra stakke til system byder på betydelige udfordringer, hvor de store kompetencer inden for brændselsopberedning, der findes i koncernen, bliver udnyttet. PowerCore modulet repræsenterer en veldefineret og ukompliceret grænseflade som gør det muligt for systemintegratorer at designe et optimalt integreret system. Figur 10: Topsoe stakplatform (TSP): En 1.5kW stak med ekstern luftmanifold er platformstakken som bruges i alle TOFCs produkter på alle markeder. En enkeltstak monteret i et robust hus er udviklet til det mobile markedet. Det samme stakmodul kan endvidere integreres sammen med hot balance anlægskomponenter i en isoleret boks, som kaldes Topsoe PowerCore. Dette produktdesign er fremstillet til boligmarkedet. Fire stakke kan kombineres til et 6kW stakmodul. Dette stakmodul bruges som en byggesten til elproduktion i størrelsesordenen 5 til 100kW i det stationære markedssegment. Stategi og udvikling Det første trin i strategien for stakudvikling vil være baseret på et stakkoncept med åben luftmanifold (TSP-1), som i dag repræsenterer TOFC state of the art. Denne stakplatform vil dels blive brugt i forbindelse med systemudvikling hos TOFC s teknologipartnere og dels i forbindelse med den fortsatte trinvise forbedring og udvikling af stakudviklingen, hvor der fokuseres på følgende vigtige delområder: Interconnect design og materialer Stakrobusthed Øget levetid Kvalitetskontrol og fabrikationsegnethed Platform for produktudvikling Strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller 20