Dansk strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller

Transkript

1 National SOFC-strategi, Page 1 / 37 Dansk strategi for udvikling af SOFC-brændselsceller Partnerskabet for Brint og Brændselsceller i Danmark SOFC-strategigruppen

2 National SOFC-strategi, Page 2 / 37 Resumé SOFC-brændselsceller er en lovende teknologi til effektiv fremstilling af elektricitet. Teknologien forventes at bidrage meget betydeligt til klima- og miljømålsætningerne, forsyningssikkerhed af energi, øget beskæftigelse og eksport. Danmark har en meget stærk teknologiposition på SOFCområdet på baggrund af et årelangt samarbejde mellem Topsoe Fuel Cell Fog Risø DTU samt et senere udbygget samarbejdet med Dantherm Power. De danske aktører har modtaget mere end 250 millioner kr. i offentlig støtte. Med denne støtte har aktørerne med egen finansiering, der er ca. to gange større end den offentlige støtte, været i stand til gennem de sidste 10 år at bringe udviklingen af SOFC-teknologien væsentligt tættere på markedet. Denne strategi er udarbejdet af de danske aktører på området og giver et billede af det fornødne overordnede udviklingsbehov i de kommende år. Teknologiudviklingen er nået til den fase, hvor der i løbet af de kommende år skal igangsættes demonstrationer i større omfang. Der satses som udgangspunkt på tre værdifulde markedssegmenter: Mikrokraftvarme, hjælpekraft til mobile anvendelser samt decentral kraft og kraftvarme, der alle har et stort potentiale for markedsindtrængning internationalt. Når forretningen er etableret inden for et eller flere af disse segmenter, vil andre forretningsmuligheder undersøges inden for andre anvendelsesområder med basis i den etablerede teknologiske platform. Vejen til kommercialisering er en lang proces, der begynder med demonstrationer og senere introduktion af kommercielle produkter. De primære aktører er for tiden de største virksomheder og institutioner, men i takt med at antallet af producerede enheder stiger, vil jobskabelse hos underleverandører og andre direkte relaterede virksomheder og videnscentre øges. For de associerede aktørers vedkommende vil opbygningen og organisationen være forskellig alt efter produkt. Et konservativt skøn over markedsstørrelsen på verdensplan er 2-4 GW installeret kapacitet pr. år svarende til en årlig omsætning på milliarder DKK og en jobforøgelse på arbejdspladser. Eksportandelen forventes at overstige 90 % af produktionen. Sideløbende med de økonomisk krævende demonstrationsaktiviteter er det afgørende at opretholde et højt niveau af forskning og udvikling for at sikre Danmarks teknologiposition også i fremtiden.

3 National SOFC-strategi, Page 3 / 37 Indhold 1 Indledning Teknologifordele Danmarks muligheder 5 2 Markeder Mikrokraftvarme Hjælpekraft (APU) Tunge lastbiler Fritidsmarkedet Decentral kraftproduktion og kraft-varmeproduktion 12 3 De danske partnere Topsoe Fuel Cell Risø DTU Dantherm Power 17 4 Status Celler Stakke og PowerCores Systemintegration Mikrokraftvarme Hjælpekraft (APU) Decentral kraftproduktion og kraftvarmeproduktion 23 5 Strategi og udviklingsplaner Fremstilling Celler Stakke og PowerCores Mikrokraftvarme Hjælpekraft, APU Decentral kraftproduktion og kraftvarmeproduktion Systemintegration Mikrokraftvarme Hjælpekraft Decentral elproduktion 31 6 Perspektiver 33 7 Konkurrencesituation 35 8 SOFC Roadmap 37

4 National SOFC-strategi, Page 4 / 37 1 Indledning Dansk forskning og udvikling inden for keramiske brændselsceller (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) til effektiv fremstilling af elektricitet strækker sig over mere end 20 år. For ca. 10 år siden viste dette udviklingsarbejde så gode resultater og kommercielle perspektiver, at indsatsen blev intensiveret væsentligt. 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 mere detaljerede strategier for de enkelte teknologiområder. Nærværende dokument er en opdatering og afløser for de tidligere strategier for udvikling og produktion af danske SOFCbrændselsceller og brændselscellesystemer. De sidste 10 års udvikling har bragt SOFC-brændselscellerne væsentligt tættere på markedet, og der er i denne version af strategien derfor lagt et øget fokus på 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, men også en afgørende udfordring for teknologiens fremtidige udvikling, da markedsindtrængning fortsat vil kræve store investeringer i SOFC-brændselscelleteknologien. SOFC-teknologiudviklingen er som nævnt nået til demonstrationsfasen, hvor forskellige projekter inden for en række anvendelsesområder er igangsat. En egentlig kommerciel indtrængen på udvalgte markeder kan forventes om 5 til 10 år frem i tiden, og de danske aktører på området har derfor udarbejdet en teknisk/forretningsmæssig roadmap, der skitserer nødvendige mål og milepæle frem til Denne roadmap er vedlagt sidst i dette strategidokument. Det kan forudses, at der fortsat vil være behov for offentlig økonomisk understøttelse af udviklingen, da omkostningerne frem mod fuld industrialisering vil være omfattende. Udfordringen er, at de relativt små produktionsvolumener under den præ-industrielle fase fordyrer produktionsprisen. Demonstrationsfasen betyder dog ikke, at udviklingen af SOFC-teknologien er afsluttet. Det løbende arbejde med tekniske forbedringer af for eksempel effektæthed, levetid, robusthed og fremstillingsprocesser må fortsætte for at sikre succes på den lange bane. 1.1 Teknologifordele Der er vedvarende stor international fokus på SOFC-brændselscelleteknologien på grund af dens mange fordele og muligheder både set i forhold til traditionelle kraftteknologier og til andre brændselscelleteknologier. SOFC-teknologien er således karakteriseret ved: høj elvirkningsgrad: Brændslet kan udnyttes med en elvirkningsgrad, der er fuldt på højde med eller bedre end udnyttelsen af brændslet ved større centrale kraftværker under de mest gunstige vilkår. Desuden befordrer den forholdsvis høje driftstemperatur ( C) varmegenvinding og intern brændstofreformering. Af alle brændselscelleteknologier har SOFC den højest opnåelige elvirkningsgrad.

5 National SOFC-strategi, Page 5 / 37 brændselsfleksibilitet: Høj driftstemperatur og SOFC-elektrolyttens egenskaber gør, at SOFC er langt mere fleksibel end andre brændselscelletyper med hensyn til valg af brændsel, som fx kan være metan, naturgas, biogas, metanol, diesel eller brint. SOFCteknologien er med til at bygge bro til fremtidens energisamfund, hvor vi forventeligt vil gå fra fossile brændsler til brændsler fra vedvarende energikilder, når disse bliver almindeligt tilgængelige. gode miljøegenskaber: Høj virkningsgrad giver lave emissioner, og afgangsgassen er helt fri for NO x og SO x. I centrale kraftværker med SOFC-anlæg vil CO 2 langt lettere kunne opsamles, da den ikke er opblandet med ilt og kvælstof fra luften. Dette vil gøre CO 2 - bortskaffelse væsentligt lettere og billigere. simple systemer. Brændselsfleksibiliteten muliggør simplere brændselsoprensning og dermed mulighed for at bygge meget simple systemer med deraf følgende forøget pålidelighed samt muligheder for kostreduktioner. få bevægelige dele: I selve brændselscellen er der ingen bevægelige dele og i systemet uden om kun få bevægelige dele. Dette giver lave støjemissioner, høj driftssikkerhed og minimalt vedligehold. god regulerbarhed: SOFC-systemer kan designes med henblik på en regulerbarhed ned til ca. 20% af nominel last uden væsentlige tab af virkningsgrad. Responstiden kan være meget kort, helt ned til få sekunder, når systemet er i stand-by tilstand. Ved opstart fra kold tilstand er der en lang responstid, men idet anlægget forventeligt er i konstant driftsberedskab efter opstart bidrager SOFC-systemer til den regulerbare kapacitet.. let tilgængelige råvarer: Ingen af de materialer, der anvendes i SOFC-systemer kan karakteriseres som sjældne eller strategiske, fx anvendes der ingen ædelmetaller. Indkøbspriser for råvarer og materialer i fremtiden forventes ikke at overstige 100 EUR/kW på stakniveau. 1.2 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, fx 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, og Risø DTU og Topsoe Fuel Cell A/S har i fællesskab opbygget et udviklingsmiljø, der dækker alle de nødvendige discipliner. Den store offentlige støtte har været stærkt medvirkende til at Danmark er placeret helt fremme indenfor forskning i SOFC-teknologien.

6 National SOFC-strategi, Page 6 / 37 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 næsten daglig interaktion mellem forskere og industriudviklere. 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, systemintegration og kraftvarme. Desuden gør det fintmaskede naturgasnet og kraftvarmesystem Danmark til en særdeles velegnet udviklingsplatform for flere af teknologiens nøglemarkeder. Forfatterne der har bidraget til denne strategi er: Fra Risø/DTU; Anders Smith og Søren Linderoth Fra Dantherm Power; Jesper Themsen Fra Topsoe Fuel Cell; Andreas B. Richter, Hakon J. Hansen, Helge Holm-Larsen og Claus V. Andersen

7 National SOFC-strategi, Page 7 / 37 2 Markeder Med de fordele som er skitseret ovenfor, har SOFC-systemer en række attraktive anvendelsesmuligheder. Teknologiens skalérbarhed og modularitet, som gør at enheder kan konstrueres i størrelsen 1 kw til flere hundrede kw (som kan sammensættes til MW), betyder at det allerede nu giver mening at udvikle anlæg i forskellige størrelser. De danske SOFC-aktører har identificeret tre særligt attraktive anvendelsesområder for en markedsintroduktion af teknologien: 1. mikrokraftvarme, dvs. enheder til samtidig fremstilling af elektricitet og varme på en skala, der rækker helt ned til den enkelte husstand. En typisk størrelse for et sådan system er ca. 1 kw el. Da elektriciteten frembringes lokalt med naturgas fra nettet nedsættes de nettab som er til stede ved overførsel af elektricitet fra produktionsstedet til forbrugsstedet. Da varmen som opstår ved elproduktionen samtidig udnyttes, undgås distributionstabet, som er forbundet med fjernvarme. 2. hjælpekraft til mobile anvendelser (auxiliary power units, APU). Der er et stærkt stigende behov for elforsyning til mobile anvendelser, fx til kølesystemer på lastbiler. I dag anvendes ofte dieselgeneratorer hvor batterier ikke har kapacitet til at levere tilstrækkelig strøm ved overnatning. Dieselgeneratorerne har til dette formål (3-20 kw) en meget lav virkningsgrad, i størrelsesordenen 20-25%,. SOFC-systemer, der drives af diesel, kan opnå elvirkningsgrader på 35-45%. Desuden vil lovgivning, der forbyder eller begrænser motor-tomgang, favorisere SOFC-systemer med deres meget lave emissioner og støjniveau. 3. decentral kraftvarmeproduktion (distributed generation, DG) i anlæg på op til 250 kw. SOFC-teknologiens høje virkningsgrad gør den til en attraktiv mulighed i forhold til konventionelle kraftværker. Selv for centrale kraftværker overstiger den gennemsnitlige elvirkningsgrad normalt ikke 50% (gennemsnittet for europæiske centrale kraftværker er 42%). SOFC-teknologien kan opnå elvirkningsgrader mellem 55 og 60%, når naturgas anvendes som brændsel. Decentrale SOFC-anlæg er også interessant for visse industrier, da overskudsvarmen fra SOFC-anlæg har høj værdi pga. den høje driftstemperatur. De kommercielle muligheder inden for disse tre markeder beskrives i det følgende. 2.1 Mikrokraftvarme Mikrokraftvarme er et markedssegment, hvor der findes store muligheder for at skabe et gennembrud for SOFC-teknologien på det danske hjemmemarked. Mikrokraftvarmesystemerne installeres i private husstande, hvor de producerer elektricitet med høj virkningsgrad, og hvor spildvarmen fra elektricitetsproduktionen kan udnyttes til såvel rumopvarmning som varmt brugsvand. Umiddelbart satses der på at introducere SOFC-baseret mikrokraftvarme i områder hvor der findes naturgastilslutning, da naturgassen er et meget velegnet brændsel. Det er dog også oplagt at anvende flaskegas og metanol samt senere hen at basere driften på grønnebrændsler.

8 National SOFC-strategi, Page 8 / 37 Figur 1 Mikrokraftvarme baseret på Naturgas. Mikrokraftvarmesystemerne (FC) drives på naturgas og producerer el og varme til det enkelte hjem. Der trækkes strøm fra det offentlige elnet, når husstandens forbrug er stort og leveres tilbage når forbruget er mindre eller hvis der er brug for ekstra kapacitet i det offentlige el-net (regulerkraft og lastudjævning) Der findes CO 2 besparelser på ca. 1-2 ton pr. år pr. husstand (ca % besparelse). En succesfuld kommerciel fremtid for mikrokraftvarmesystemerne er betinget af, at de i sammenhæng med de samfundsmæssige og miljømæssige fordele udgør et økonomisk attraktivt alternativ til konventionel opvarmning og elforsyning. Hermed er brændselspriserne i forhold til elprisen og omkostningerne til opvarmning af afgørende betydning. I Danmark er el-priserne blandt verdens højeste, hvilket bevirker at der er et stort potentiale for besparelser ved alternativ elproduktion. Samtidig er forskellen mellem el-prisen og naturgasprisen i Danmark også blandt verdens højeste. Hertil er der i Danmark relativt stort behov for opvarmning grundet det relativt kolde klima. Dermed er gevinsten ved samproduktion af el og varme i mikrokraftvarmesystemer baseret på naturgas yderst oplagt i Danmark. I tillæg til dette er den danske andel af decentral elproduktion den højeste på verdensplan, hvormed det i Danmark er mere nærliggende at drage nytte af den decentrale el-produktion fra mikrokraftvarmesystemerne.

9 National SOFC-strategi, Page 9 / 37 I Danmark findes der desuden et stort markedspotentiale indenfor områder, hvor der ikke er mulighed for naturgastilslutning. I disse områder anvendes ofte oliefyr til opvarmning, og her er også varmepumper på vej til at vinde markedsandele. I disse områder vil flaskegas (LPG), som også kan lagres i større tanke være et meget attraktivt brændsel på kort sigt (indtil grønne brændsler vil være kommercielle). Flaskegassen er økonomisk ligeså attraktiv som naturgassen, og udgør derfor et meget attraktivt alternativ til boligopvarmning og el fra el-nettet. Specielt i tilfælde hvor varmepumper er relevante, vil en kombination med mikrokraftvarmens kosteffektive el-produktion være både økonomisk og miljømæssigt meget attraktiv. Antallet af husstande med olieopvarmning i Danmark ligger i samme størrelsesorden som antallet af husstande med naturgasopvarmning. Når et stort antal mikrokraftvarmeanlæg er installeret vil der være en betydelig fleksibel kapacitet til rådighed, primært i dagtimerne på hverdage hvor belastningen er høj. Andelen af husstande hvor der i dag er naturgastilslutning er væsentligt højere i Europa end i fx Nordamerika, men begge steder vurderes der at være en attraktiv markedsmulighed. Markedspotentialet for mikrokraftvarme til enkelthusstande er givet ved omfanget af udskiftning af olie- og gaskedler i private hjem samt salg til nye huse. I EU-15 er der omkring 83 millioner hjem, hvoraf 75% potentielt kan anvende mikrokraftvarme. Baseret på en forventet levetid på 15 år for en kedel, betyder det, at markedet for kedeludskiftninger er godt 4 millioner om året. Ud over dette er der nye huse, som udgør omkring om året, og som også i 75% af tilfældene antages at kunne benytte mikrokraftvarme. Dette giver et samlet potentielt marked på omkring 5 millioner om året i EU-15. I Nordamerika er der på årsplan 1,6 mio. husstande, som er mulige aftagere af en SOFC-baseret mikrokraftvarme-enhed [1]. Generelt er attraktive geografiske markeder for mikrokraftvarme karakteriseret ved en eller flere af følgende faktorer: tilstrækkelig størrelse adgang til naturgas relativt lave naturgaspriser og høje elpriser lovgivning, der fremmer mikrokraftvarme og/eller brændselsceller. mulighed for at eksportere/ parkere overskydende elproduktion på nettet De mest attraktive markeder (underopdelt i prioriteret rækkefølge) viser sig at være: Vesteuropa 1. Tyskland, Benelux-landene, Storbritannien, Danmark 2. Italien, Irland Asien 1. Japan 2. Sydkorea USA (prioriteret rækkefølge): 1. Northeast (CT, ME, MA, NH, RI, VT)

10 National SOFC-strategi, Page 10 / Californien 3. East North (IL, IN, MI, OH, WI) 4. South Atlantic (DE, DC, FL, GA, MD, NC, SC, VI, WV) Canada 1. British Columbia og Alberta samt områderne langs den amerikanske grænse i Ontario og Québec. Dantherm Power og Topsoe Fuel Cell har etableret et tæt samarbejde i projektet Dansk Mikrokraftvarme, hvor der satses hårdt på at introducere SOFC-baseret mikrokraftvarme i Danmark som et springbræt til introduktion i resten af Europa og andre relevante markeder. 2.2 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 Tunge lastbiler Lovgivning, der begrænser omfanget af motor-tomgang, er indført i 21 stater i USA og er landsdækkende i Canada, ligesom der i mange dele af Europa findes tilsvarende regler. Lovgivningen varierer meget mellem de enkelte lande og stater og kan for eksempel være begrænset til udvalgte amter eller byer. De strengeste amerikanske standarder gælder i Californien fra januar Disse indebærer, at tomgang i mere end fem minutter er forbudt. Det kan forventes, at Californien, som det er sket i lignende tidligere tilfælde, vil fungere som foregangsstat med sin progressive holdning til miljørestriktioner. Det er derfor sandsynligt, at tunge lastbiler i Nordamerika inden for en kort årrække må 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.

11 National SOFC-strategi, Page 11 / 37 Figur 2 beskriver den årlige produktion af nye tunge lastbiler i Europa og Nordamerika baseret på data fra International Organisation of Motor Vehicle Manufacturers frem til og med 2009 og forventninger fra OEM-leverandører (leverandører af originalt udstyr til lastbilsfremstillingsvirksomheder) i industrien for perioden 2010 til Som det fremgår, er antallet af producerede lastbiler svagt stigende. Dog er produktionen faldet dramatisk i 2009, hvilket afspejler den globale økonomiske krise som har været særlig markant i transportsektoren. Ifølge OEM leverandørerne i industrien er denne udvikling vendt, og det forventes, at udskydelsen af nyanskaffelser af nye lastbiler vil skabe et kortvarigt boom i salget af lastbiler i Alene i Nordamerika er der derfor konservativt anslået et potentielt marked for APUenheder på over enheder om året. I dette tal er det antaget, at kun nye lastbiler vil være omfattet af lovgivningen, og at der derfor ikke er noget større marked for eftermonteringer på eksisterende køretøjer. Dette marked for eftermontering kommer måske senere, men vil næppe nå samme niveau som levering af hjælpekraftenheder til nye lastbiler. Produktion af Heavy trucks Forventning fra OEM's Antal i tusinder Europe Nord Amerika Europe forventn. Nord Amerika forventn Figur 2. Produktion af tunge lastbiler i Europa og Nordamerika og forventninger til fremtidig produktion.(international Organisation of Motor Vehicle Manufacturers og indikationer fra OEM s)

12 National SOFC-strategi, Page 12 / Fritidsmarkedet For fritidsmarkedet er der på grund af den høje elektriske effektivitet ytret stor interesse for SOFC-teknologien fra amerikanske og europæiske leverandører af udstyr til denne industri. 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. Markedet 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 SOFC-teknologi 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, omkring 900 i 2008, men ejernes købedygtighed kan gøre teknologien attraktiv på et tidligere tidspunkt end for massemarkedet. Autocampermarkedet er også interessant. Her vil støjsvaghed og virkningsgrad være vigtige parametre. I USA sælges omkring klasse A autocampere i USA om året, de største autocampere, hvor SOFC-teknologien først forventes at kunne vinde indpas. Senere ventes SOFC-baserede hjælpekraftanlæg at kunne brede sig til de mindre autocampere i USA og til de europæiske autocampere, et marked som er en faktor 10 gange større end USA klasse A autocampere. 2.3 Decentral kraftproduktion og kraft-varmeproduktion Et særligt attraktivt del-segment af DG-markedet er systemer på mindre end 2 MW el. Her er de eksisterende systemer næsten udelukkende baseret på forbrændingsmotorer, mens gasturbiner og andre teknologier kun spiller en marginal rolle. Det er i første omgang SOFC-systemer mindre end 2 MW el, som de danske udviklingsbestræbelser sigter mod. Det totale volumen i dette afgrænsede markedssegment andrager 28 GW for alle elproducerende maskiner på verdensplan i henhold til Diesel & Gas Turbine Worldwide (33rd Power Generation Order Survey 2009). Markedsstørrelsen i 2009 som er relevant for SOFCbaserede systemer er 2 GW svarende til systemer, der er i kontinuert drift med naturgas som brændsel. Det europæiske marked for DG-systemer kan baseres på EUs historiske prognoser (Eurostat, Combined Heat and Power in the EU, compiled data from 1994 to 2007), hvor anlæggene hovedsagligt er drevet med naturgas og for en mindre dels vedkommende er drevet af biogas som brændsel. Siden 90'erne er der årligt blevet installeret udstyr til el-produktion af ca. 500 MW e inden for DG i segmentet af anlæg mindre end 2 MW e i Europa.

13 National SOFC-strategi, Page 13 / 37 EU15 - CHP capacity, installations < 2MWe [MWe] / Germany, Austria Benelux Denmark Spain Italy UK, Ireland remaining EU15 Figur 3: Installed CHP capacity in EU 15 countries (Eurostat, Combined Heat and Power in the EU, compiled data from 1994 to 2007) Det potentielle marked i Europa for sådanne SOFC-systemer er allerede i dag ganske betydeligt, omkring 600 MW el på årsplan, og det forventes at stige til 1 GW el årligt i Markedet består dels af en stigning i den installerede kraftvarmekapacitet, dels af repowering, dvs. 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.

14 National SOFC-strategi, Page 14 / 37 EU27 - CHP market potential, installations < 2 MWe MWe Repow ering Capacity increase Figur 4. Markedspotentiale for DG-systemer mindre end 2 MW. (European Energy and Transport - Trends 2030) Markedet er drevet af en række centrale faktorer, der forventes at vare ved og dermed støtte efterspørgslen for decentral elproduktion også i fremtiden: Stigende energipriser, hvilket tilskynder til mere effektiv elproduktion. Øget tilgængelighed af naturgas, biogas, forgasningsgas, bioetanol mv. som brændstof. Øget politisk fokus på kraftvarme. EU har sat målet for andelen af elproduktionen fra kraftvarme til 20% for Mange europæiske lande har i dag kun en meget lille andel af el fra kraftvarme. Målet kræver store investeringer i kraftvarmeteknologien i mange lande. Strammere miljølovgivning for udstødnings- og CO 2 -emissioner. Offentlige incitamenter til elproduktion med lave emissioner. Mere optimal fordeling mellem kraft og varme produktion end konventionel teknologi i og med der produceres en større andel af kraft Stigende efterspørgsel efter pålidelig on-site-elproduktion på grund af faldende netværkspålidelighed. Stigende efterspørgsel efter skalerbare kraftenheder, da der fremadrettet indfases større andel af kraft fra ikke regulerbar vedvarende energikilder (vindmøller)

15 National SOFC-strategi, Page 15 / 37 I verdensdele såsom Fjernøsten, Indien, Sydamerika og Afrika er der i øjeblikket en betydelig vækst, men ikke altid en betalingsevne og -vilje til at honorere en renere og mere effektiv teknologi. Betalingsevnen forventes at forbedres, og i takt med at SOFC-teknologien gøres mere robust og billigere at fremstille, rummer disse verdensdele og markeder på den lange bane udviklingspotentiale til at blive en størrelsesorden større end markederne i Europa og Nordamerika. Det antages, at et årligt marked i størrelsesordenen 2GW e på verdensplan og 500MW e i Europa repræsenterer den nedre grænse for det potentielle marked.

16 National SOFC-strategi, Page 16 / 37 3 De danske partnere De danske partnere, der arbejder målrettet med at udbrede SOFC-teknologien, dækker hele 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 7, Perspektivering). Det tætte samarbejde mellem forskning og teknologi- og forretningsudvikling sikrer, at markedskrav er kendte og kan indarbejdes i forskningsstrategier og udviklingsprogrammer. Partnerne understøttes af det stærke og velunderbyggede nationale Partnerskab 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, fx Danfoss, Dong Energy, Dansk Gasteknisk Center, Sydenergi, Seas-NVE, Teknologisk Institut, Force, COWI og flere andre, herunder underleverandører. I øjeblikket er der i de associerede virksomheder ca. en person ansat for hver fem hos de primært involverede aktører i SOFC-teknologiudviklingen. Efterhånden som brændselscellebranchen når et kommercielt niveau forventes det, at balancen tipper, således at der i stedet vil være omkring 10 ansatte i de associerede virksomheder for hver ansat hos de primære aktører. 3.1 Topsoe Fuel Cell Topsoe Fuel Cell A/S fokuserer på udvikling, fremstilling og markedsføring af SOFCbrændselsceller. Selskabet er et datterselskab af Haldor Topsøe A/S, der har en årlig omsætning på 650 millioner EUR. Haldor Topsøe har været involveret i SOFC-forskning og -udvikling siden slutningen af 1980 erne. I 2004 blev Topsoe Fuel Cell dannet for at fremskynde udviklingen og kommercialiseringen af SOFC-teknologien. Topsoe Fuel Cell ønsker at sælge celler, stakke og integrerede hot-boxe (Topsoe PowerCores - som omfatter de varme -dele af et komplet system og giver en veldefineret grænseflade til systemintegrationen). Slutkunden nås ved partnerskaber med udvalgte integratorselskaber, der har kanaler til markederne (inkl. marketing, salg og service). Topsoe Fuel Cell har målrettet udviklingen mod tre adskilte applikationsområder: mikrokraftvarme, hjælpekraft til transportmarkedet samt decentral elproduktion. Det sker med henblik på at mindske risikoen og nå en kommerciel volumenproduktion hurtigere.

17 National SOFC-strategi, Page 17 / Risø DTU Risø DTU er Nationallaboratoriet for bæredygtig energi ved Danmarks Tekniske Universitet. Afdelingen for Brændselsceller og Faststofkemi har mere end 20 års erfaring med forskning og udvikling af SOFC-brændselsceller. Indsatsen udgør i dag omkring 60 mandår om året, hvilket gør afdelingen til en af de absolut største forskningsinstitutioner internationalt på området. En afgørende udfordring, når man skal udvikle keramiske komponenter med en høj ydelse og holdbarhed, er at være i stand til at gå fra et lovende forskningsresultat i laboratoriet til masseproduktion med billige og reproducerbare processer. For at løse denne udfordring har Risø DTU etableret et præ-pilotanlæg med en årlig fremstillingskapacitet på flere tusind brændselsceller. Det gør det muligt helt fra begyndelsen af udviklingsarbejdet at fokusere på keramiske formgivningsmetoder, der kan anvendes i industriel skala. Siden 2001 har Risø DTU indgået i et tæt og frugtbart samarbejde med Topsoe Fuel Cell, hvilket har resulteret i den effektive teknologioverførsel, som er et af kendetegnene ved den danske SOFC-indsats. 3.3 Dantherm Power Dantherm Power A/S er en spin-off virksomhed fra Dantherm A/S. Dantherm Power A/S har ca. 50 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 PEMbrændselscelleleverandør, Ballard Power Systems Inc. Med ejerskabet fra Ballard, Danfoss og Dantherm har Dantherm Power adgang til en stor mængde IPR samt markedsadgang til mikrokraftvarme via Danfoss og nødstrøm via Dantherm. Med ca. 400 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.

18 National SOFC-strategi, Page 18 / 37 4 Status Indsatsen fra de primære aktører er tilsammen over 200 årsværk pr. år, hvilket er tilstrækkeligt til at sikre positionen som absolut førende i europæisk sammenhæng og konkurrencedygtig overfor de største i USA og Japan. 4.1 Celler Udviklingen af celler sker på Risø DTU. Der arbejdes i dag med flere såkaldte cellegenerationer, der hver især er optimeret for særlige driftsbetingelser for eksempel driftstemperatur. Hovedudviklingslinjerne koncentrerer sig om tre celletyper, 2G, 2.5G og 3G, som adskiller sig dels ved deres bærende lag (support), som for 2G og 2.5Gs vedkommende er af keramik (anodesupporterede) og for 3G af metal (metalsupporterede), dels ved deres aktive komponenter, dvs. elektroder og elektrolyt. 2G-cellen har i sin fundamentale opbygning været fastlagt i adskillige år. Nye fremstillingsmetoder har imidlertid medført en stadig forbedring af ydelsen, fx har en ny metode til båndstøbning (tapecasting, introduceret i 2010) tilladt en reduktion i den indre modstand på 40%. En vigtig udviklingslinje er mere miljøvenlige fremstillingsmetoder, og her viser udviklingen af vandbaserede systemer gode fremskridt. 2.5G-cellen er en videreudvikling af 2G-cellen, hvor katoden er blevet væsentligt forbedret. Det har muliggjort en reduktion af driftstemperaturen til 750 C. Både 2G- og 2.5G-cellen er blevet testet gennem adskillige tusind timer med degradering i ydelsen på under 1%/1000 h. 3G-cellen har en helt ny cellearkitektur, hvor det bærende lag består af et porøst metallag. Efter et omfattende udviklingsarbejde er det blevet muligt at producere disse bærende lag med en gastæt elektrolyt ovenpå. 3G-cellen er beregnet til drift ved lavere temperaturer, helt ned til 550 C, og er pga. dens bærende metalstruktur væsentligt mere robust end de helt keramiske celler. De vil derfor være særdeles attraktive til APU-systemer, hvor man kan forvente væsentlige mekaniske påvirkninger under drift. Overordnet set er de danskudviklede celler (og stakke) i dag ydelses- og holdbarhedsmæssigt blandt verdens bedste.

19 National SOFC-strategi, Page 19 / Stakke og PowerCores Stakteknologien udvikles hovedsaglig på Topsoe Fuel Cell med bidrag fra Risø DTU inden for stakkomponenter og testmetodologi. Topsoe Fuel Cells stakteknologi er under stadig udvikling. Stakke baseret på de såkaldte 2G celleteknologi er demonstreret i større skala (1 kw, 5 kw og 10 kw stakmoduler), og stakke baseret på 3G celleteknologi er under udvikling. Indenfor mikrokraftvarme-segmentet har Topsoe Fuel Cell taget den strategiske beslutning ikke bare at udvikle celler og stakke, men også de omgivende komponenter, der indgår i en Topsoe PowerCore. Det sker blandt andet for at udnytte de store kompetencer inden for brændselsopberedning, der findes i koncernen og for at præsentere en veldefineret og ukompliceret grænseflade for systemintegratorer. Skridtet fra stakke til system repræsenterer betydelige udfordringer, og beslutningen om at levere hele Topsoe PowerCores er derfor en vigtig konkurrenceparameter over for samarbejdspartnere. Et antal 1 kw e Topsoe PowerCore prototyper har været demonstreret indenfor mikrokraftvarmesegmentet. Topsoe Fuel Cell har udviklet to forskellige typer Topsoe PowerCores til mikrokraftvarme, idet de to varianter tilbyder forskellige fordele ved integration. Topsoe PowerCores for hjælpekraft (APU) er stadig under udvikling og evaluering. Inden for decentral elproduktion vil Topsoe Fuel Cell levere stakmoduler til sine samarbejdspartnere, da opbygning af større systemer medfører, at stakke og brændselsopredningssystemer og andre komponenter der indgår i førnævnte Topsoe PowerCore -moduler med større fordel kan installeres som separate dele af systemet. Topsoe Fuel Cells overordnede teknologistade på de forskellige delelementer af SOFCteknologien er vist på figur 5. Tidslinjen fra venstre mod højre viser overgangen fra teknologiudvikling til markedsintroduktion og massemarked. Det skal dog understreges, at Topsoe Fuel Cell til stadighed vil have betydelige udviklings-, test- og demonstrationsaktiviteter for at sikre sit teknologistade også på lang sigt. Sammenfattende er Topsoe Fuel Cell teknologiske status på niveau med eller foran de øvrige aktører på det globale marked. Topsoe Fuel Cell har således indtaget en position som en af de globalt ledende aktører. Generelt for disse aktører gælder det, at der i øjeblikket opbygges prototyper og startes demonstrationsprojekter, og at der endnu ikke har været et kommercielt gennembrud.

20 National SOFC-strategi, Page 20 / 37 Figur 5. Topsoe Fuel Cells teknologiske status i oversigtsform: den relative modenhed af individuelle teknologiske delelementer. 4.3 Systemintegration Mikrokraftvarme Topsoe Fuel Cell indgår i tæt samarbejde med Dantherm Power i projektet Dansk Mikrokraftvarme, hvor der frem til og med fase 3 skal installeres 24 SOFC-baserede mikrokraftvarmesystemer i danske huse. I fase 1 blev to systemer testet hos Dansk Gasteknisk Center, det første system baseret på brint blev leveret og testet i 2006, det næste system baseret på naturgas blev testet i De efterfølgende to systemer i fase 2 til installationer hos professionelle brugere er tæt på færdiggørelse og forventes installeret i november Disse systemer forventes at opnå en høj elektrisk effektivitet på 42%. I Fase 3 vil i alt 20 anlæg blive installeret i private hjem i Sønderborg og omegn, hvor fase 3 strækker sig frem til og med 2012.