Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige energisystem uden fossile brændstoffer Brændselsceller og elektrolyse Prof. (mso) Dr. rer. nat., Sektionsleder Anvendt Elektrokemi
Program Modul Program 1 Introduktion og diskussion energisystem Brændselsceller og elektrolyse Gruppeinddeling Præsentation/ Diskussion 2
Gruppeopgave? Hvad er de politiske målsætninger for strømproduktion i Denmark i 2020 og 2050? Hvad er situationen i dag? 3
Hvad er udfordringen? Energi fra Naturen Det, vi bruger 4
Hvad er udfordringen? Vind Bølger Sol Energi fra Naturen Biomasse Hvordan kan vi dække vores behov med det, naturen tilbyder? Varme Det, vi bruger Brændstof Strøm 5
Hvad er udfordringen? Vind Bølger Sol Energi fra Naturen Biomasse Vi skal konvertere energi fra vedvarende kilder til energiformer vi kan bruge, på de tidspunkter hvor vi har brug for dem. Varme Det, vi bruger Brændstof Strøm 6
Dét vil danske politikere The goal of the Danish government is independence from coal, oil and gas by 2050. http://www.ens.dk/en/info/publications/energy-strategy-2050-coal-oilgas-green-energy 7
Dét vil tyske politikere By 2030 at the latest, at least 50 percent of electricity consumption should be from renewable sources, rising to at least 80 percent by 2050. 8 http://www.bundesregierung.de/siteglobals/forms/webs/breg/suche/d E/Infomaterial/Solr_Infomaterial_Formular.html
Hvordan gør vi i Danmark? Mere vindenergi til strømproduktion Source: Danish Energy Agency 9
Hvordan gør vi i Danmark? Aktuel situation for strømproduktion fra vindmøller og kraftværker From http://www.energinet.dk/flash/forside/uk/index.html? target=el_net 10
Hvordan gør vi i Danmark? Mere vindstrøm: Hvad kan det føre til? From http://www.energinet.dk/flash/forside/uk/index.html? target=el_net http://www.nordpoolspot.com/marketdata1/elspot/area-prices/dk/hourly/ 11
Hvordan gør vi i Danmark? Mere vindstrøm: Hvad kan det føre til? Strøm koster minus! Strøm er enormt dyrt! From http://www.energinet.dk/flash/forside/uk/index.html? target=el_net http://www.nordpoolspot.com/marketdata1/elspot/area-prices/dk/hourly/ 12
Hvordan gør vi i Danmark? Når vi øger strømproduktion fra vind og sol (fra ~4 GW vind til 17 GW vind, fra < 1 GW solar til 4 GW solar og til ~1 GW bølge) 20000 El (MW) 16000 12000 8000 4000 0 0 7 14 21 28 35 42 49 56 Days Typisk behov for el El fra vind, bølger, sol http://energinet.dk/sitecollectiondocuments/danske%20dokumenter/el/energi%202050%20vindsporet%203.pdf 13
Hvordan gør vi i Danmark? Mere vindstrøm: Hvad kan det føre til? Produktion af strøm og forbrugsmønster stemmer ikke overens Bliver ikke bedre i fremtiden Ikke kun en dansk udfordring Strøm koster minus! Strøm er enormt dyrt! 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 From http://www.energinet.dk/flash/forside/uk/index.html? target=el_net http://www.nordpoolspot.com/marketdata1/elspot/area-prices/dk/hourly/ 14
Diskussion? Hvilke teknologier kan bruges til energikonvertering og lagring? 15
Energikonvertering og energilagring! Hvor meget energi (ipad, bil, by, )?! Hvor længe (minutter, timer, uger, )?! Hvordan er situationen geografisk, politisk,? http://simcity.wikia.com/wiki/file:empire-state-buildingnight-new-york_26741_990x742.jpg! Biomasse er ikke ubegrænset og noget skal også spises!! Vi skal kunne køre, sejle, flyve!! Mange Svar Roskilde Fjord, Anke Haegn http://en.wikipedia.org/wiki/niagara_falls http://galathea3.emu.dk/billeder/satelliteeye /casestudies/capeverde/capverde_1_l.jpg http://de.wikipedia.org/wiki/geysir, Beehive-Geysir Mange Spørgsmål 16
Diskussion? Hvilke teknologier kan bruges til energikonvertering og lagring?? Kapacitet/mængde? Tidsskala? Politiske betingelser? Modenhed af teknologien? Omkostninger? Geografiske forudsætninger 17
Gruppearbejde Hvilke brændselscelletyper findes? http://thecia.com.au/reviews/t/terminator-3/ http://www.screened.com/star-wars-episode-ii-attack-of- the-clones/16-178931/all-images/132-1073205/clones_2/131-285436/ http://www.filmplakaten.de/tag/daniel-craig/ 18
Gruppearbejde Hvilke brændselscelletyper findes? Typer Karakteristik (materialer, T, brændstoffer, reaktioner, ) Diskussion: fordele/ulemper 19
Hvad sker i en SOFC brændselscelle? Uden SOFC: Knaldgasreaktion O 2 O 2 Gnist H 2 2H2 + O 2 2H 2 O H 2 20
Hvad sker i en SOFC brændselscelle? Med SOFC: Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt O 2 fastoxid elektrolyt H 2 21
Hvad sker i en SOFC brændselscelle? 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 22
Hvad sker i en SOFC brændselscelle? 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 23
Hvad sker i en SOFC brændselscelle? 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 - 24
Hvad sker i en SOFC brændselscelle? 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 - 25
Energilagringsbehov, SOEC 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 Brændstofelektrode
Energilagringsbehov, SOEC 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)
Fra brændselscelle til elektrolyse 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 28
Fra brændselscelle til elektrolyse 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 29
Fra brændselscelle til elektrolyse 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 30
Energilagringsbehov, SOEC Large scale storage as hydrogen (steam electrolysis) and use in FCs SOFC η round trip = η SOEC * η SOFC = 95 * 55 ~ 50% SOEC Renewable Steam 31
Energilagringsbehov, SOEC Large scale storage as methane (co-electrolysis), use of existing natural gas infra structure SOFC η round trip = η SOEC * η SOFC = 95 * 55 ~ 50% (via methane ~40-45%) methani sation Industrial (air) CO 2 SOEC Renewable Steam 32
Energilagringsbehov, SOEC Large scale storage as methane (co-electrolysis), use of existing natural gas infra structure SOFC η round trip = η SOEC * η SOFC = ~ 70% Industrial (air) CO 2 SOEC +methani sation Renewable Steam 33
Energilagringsbehov, SOEC Vi gemmer strøm ved hjælp af SOEC elektrolyse http://gaslager.energinet.dk/en/pages/default.aspx For eksempel som kunstig naturgas ved hjælp af eksisterende infrastruktur Naturgasnet Gaslager i Lille Torup (Jylland) Volumen for naturgas 720 mio Nm 3, heraf kan ~400 mio m 3 bruges Syv kaverner: Heimdall, Tyr, Idun, Frey, Freya, Brage and Balder Lignende kaverne i resten af Europa 34
Energilagringsbehov, SOEC Vi kan producere gas via elektrolyse (SOEC) og fylde på et gaslager ~20% via vedvarende Rækker ~1-2 uger 1 mio elbiler Rækker et par timer http://www.teslamotors.com/models http://gaslager.energinet.dk/en/pages/default.aspx http://www.ens.dk/sites/ens.dk/files/info/tal-kort/statistik-noegletal/aarlig-energistatistik/energistatistik%202011.pdf 35
Energilagringsbehov, SOEC Transportation fuel CO 2 Capture from air Klaus S. Lackner CO 2 Capture from industrial sources Green Synfuel Fuel Production CO + H 2 H 2 http://img.geocaching.com/cache/c9145677-158a-42f3-8b79-624ce3ba3984.jpg CO 2 SOEC Steam 36
Energilagringsbehov, SOEC Transportation fuel CO 2 CO 2 Capture from air Klaus S. Lackner CO 2 Capture from industrial sources Green Synfuel Fuel Production CO + H 2 H 2 Steam http://img.geocaching.com/cache/c9145677-158a-42f3-8b79-624ce3ba3984.jpg CO 2 SOEC Steam 37
Grupper til Modul 2 Modul Program Tid 2 I) Fremstilling af celler (SOFC) II) Mikroskopi (SOFC) III) Celletest (SOFC) IV) PEM Brændselsceller Risø Campus Risø Campus Risø Campus Lyngby Campus Laboratoriearbejde i grupper 17/0 9 9-13 38