Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige energisystem uden fossile brændstoffer –Brændselsceller og elektrolyse
Anke HagenProf. (mso) Dr. rer. nat., Sektionsleder Anvendt Elektrokemi
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Program
2 Akademiet 2015
Modul Program
4 Fremlæggelse International status Diskussion, perspektivering,
andre teknologier, debat om mulige scenarier
Præsentation/Diskussion
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Fremlæggelse
Fremstilling af celler (SOFC)Mikroskopi (SOFC)Celletest (SOFC)PEM Brændselsceller
Opgave til publikum:Find på et spørgsmål, hver.
3 Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Byg et system med SOFC brændselscellerByg et system med SOFC brændselsceller
Fra enkelte SOFCer til et produkt
4 Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
By et system med SOFC brændselscellerBy et system med SOFC brændselsceller
Fra enkelte SOFCer til et produkt
5 Akademiet 2015
Brændstof-forbehandling
SOFC Stack DC/AC
Konvert.
Varmvandsbeholder
Naturgas
Luft
Strøm til bruger
Varme til bruger
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
By et system med SOFC brændselsceller
De fleste af systemkomponenterne (Balance of Plant – BoP) skal udvikles og skræddersyes til SOFCer
By et system med SOFC brændselsceller
De fleste af systemkomponenterne (Balance of Plant – BoP) skal udvikles og skræddersyes til SOFCer
Fra enkelte SOFCer til et produkt
6 Akademiet 2015
Brændstof-forbehandling
SOFC Stack DC/AC
Konvert.
Varmvandsbeholder
Naturgas
Luft
Strøm til bruger
Varme til bruger
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Kender I til kommercielle SOFC brændselsceller?Hvad er udfordringer for at komme på markedet?Kender I til kommercielle SOFC brændselsceller?Hvad er udfordringer for at komme på markedet?
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
7 Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Kender I til kommercielle brændselsceller?
”I moderne tid har brændselsceller fået deres første kommercielle anvendelser inden for rumfart, fordi ydelse, pålidelighed og størrelse er mere afgørende end prisen på dette anvendelsesområde. I disse år trænger forskellige typer brændselscellesystemer imidlertid frem på nichemarkeder, hvor brændselscellesystemernes særlige fortrin kan kompensere en relativ høj anskaffelsespris.”
Kender I til kommercielle brændselsceller?
”I moderne tid har brændselsceller fået deres første kommercielle anvendelser inden for rumfart, fordi ydelse, pålidelighed og størrelse er mere afgørende end prisen på dette anvendelsesområde. I disse år trænger forskellige typer brændselscellesystemer imidlertid frem på nichemarkeder, hvor brændselscellesystemernes særlige fortrin kan kompensere en relativ høj anskaffelsespris.”
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
8 Akademiet 2015
From http://www.hydrogennet.dk/152/
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkterEksempler på kommercielle SOFC produkter
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
9 Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkterEksempler på kommercielle SOFC produkter
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
10 Akademiet 2015
Japan
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkter
Japan har i mange år haft et stort støtteprogram for udvikling af SOFC brændselscellerFørste kommercielle produkter blev støttet
Eksempler på kommercielle SOFC produkter
Japan har i mange år haft et stort støtteprogram for udvikling af SOFC brændselscellerFørste kommercielle produkter blev støttet
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
11 Akademiet 2015
Japan
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)~50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5%
Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)~50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5%
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
12 Akademiet 2015
Japan
Osaka Gas, 2009
From http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2Fimages%2F0305_woec01.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2F0305_woec.html&h=267&w=400&tbnid=OqNpg3jVVb5_SM%3A&docid=NVdCcArymyvn_M&ei=C1cOVqapIIKosgHBzJKYCQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1583&page=1&start=0&ndsp=42&ved=0CCQQrQMwAmoVChMI5trO_cSjyAIVApQsCh1BpgST
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)~50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5%
Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)~50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5%
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
13 Akademiet 2015
Japan
Osaka Gas, 2009
From http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2Fimages%2F0305_woec01.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2F0305_woec.html&h=267&w=400&tbnid=OqNpg3jVVb5_SM%3A&docid=NVdCcArymyvn_M&ei=C1cOVqapIIKosgHBzJKYCQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1583&page=1&start=0&ndsp=42&ved=0CCQQrQMwAmoVChMI5trO_cSjyAIVApQsCh1BpgST
From http://www.fuelcelltoday.com/media/1846139/13-02-27_latest_developments_in_the_ene-farm_scheme.pdf
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkterEksempler på kommercielle SOFC produkter
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
14 Akademiet 2015
USA
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkterProdukt: Strøm
” Clean Energy: Bloom Energy delivers Better Electrons™”
Eksempler på kommercielle SOFC produkterProdukt: Strøm
” Clean Energy: Bloom Energy delivers Better Electrons™”
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
15 Akademiet 2015
USA
From http://www.bloomenergy.com/
• Base load output (net AC) 250 kW• Fuels Natural gas, directed biogas• Cumulative electrical efficiency
(LHV net AC) 52-60%
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på kommercielle SOFC produkterKunder:Eksempler på kommercielle SOFC produkterKunder:
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
16 Akademiet 2015
USA
From http://www.bloomenergy.com/customer-fuel-cell/
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterEksempler på pre-kommercielle SOFC produkter
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
17 Akademiet 2015
Europe
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggasEksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
18 Akademiet 2015
Europe
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas
• Off-grid, Eneramic®, A Reliable and Cycleable 100W SOFC System • Compact SOFC battery hybrid system, operation on commercially available fuels.• Product E2.0:
– Power output 110 W– Efficiency 24 %– Volume 55 l– Weight 23 kg
Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas
• Off-grid, Eneramic®, A Reliable and Cycleable 100W SOFC System • Compact SOFC battery hybrid system, operation on commercially available fuels.• Product E2.0:
– Power output 110 W– Efficiency 24 %– Volume 55 l– Weight 23 kg
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
19 Akademiet 2015
Europe
S. Reuber, S. Megel, C. Jürgens, T. Pfeifer, M. Bednarz, C. Wunderlich and A. Michaelis, ECS Transactions, 68 (1) 131-141 (2015)
Application test of eneramic® system – power supply of
LED-board for urban
traffic control
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas
• Off grid, EN 500 P
Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas
• Off grid, EN 500 P
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
20 Akademiet 2015
Europe
EFCF Lucerne 2014, The EN 500 P – a compact and highly efficient SOFC module for various off-grid markets, Matthias Boltze, Gregor Holstermann, Arne Sommerfeld, Alexander Herzog, Company & Major groups development Chapter 04 - Sessions A06/A08 - 73/96 Status II & III: Worldwide
The EN 500 P installed on a 12 meter house boat in Germany
Schematic application of the SOFC system as a battery hybrid system
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Omfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.fieldOmfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
21 Akademiet 2015
Europe
http://enefield.eu/
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Omfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.fieldOmfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
22 Akademiet 2015
Europe
http://enefield.eu/
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Omfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field, ~900 enhederOmfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field, ~900 enheder
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
23 Akademiet 2015
Europe
http://enefield.eu/
Denmark
UK
France
Netherlands
Belgium
Italy
Slovenia
AustriaSwitzerland
Germany
Luxembourg
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Omfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.fieldOmfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
24 Akademiet 2015
Europe
Eva Ravn Nielsen, Jonathan Hallinderhttp://enefield.eu/
Vaillant has provided the historical LogherberhausHotel
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
… og Danmark?… og Danmark?
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
25 Akademiet 2015
Danmark
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
26 Akademiet 2015
Danmark
Installation position for the APU on the U.S.-market Volvo Class 8 demonstrator
Truck APU, AVL SOFC Systems
XIII. SOFC Okinawa 2013, Juergen Rechberger et al. AVL List GmbH, Graz, AustriaEFCF Luverne 2014, J. Rechberger, A. Kaupert, C. Greisen, R. Johansson, L. Blum
SOFC developed at Risø(now DTU Energy)
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
27 Akademiet 2015
Danmark
http://www.ecofriend.com/entry/wrtsil-corporation-installs-sofc-onboard-car-carrier-undine/
•Danish SOFCs and stacks, installed by Finnish Wärtsilä on ship owned by Swedish WalleniusLines
•More than 1250 hours under harsh conditions on board the cargo vessel Undine sailing between Europe, North America and Southeast Asia demonstrated.
•Unit running on methanol fuel, Haldor Topsø A/S has supplied the methanol methanatorcatalyst for the fuel processing.
20 kW APU
SOFC developed at Risø(now DTU Energy)
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
… og Danmark?
Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i 2014
… og Danmark?
Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i 2014
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
28 Akademiet 2015
Danmark
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
… og Danmark?
Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i 2014
SOFC forskningen fortsætter på DTU Energi i samarbejde med internationale universiteter og virksomheder
… og Danmark?
Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i 2014
SOFC forskningen fortsætter på DTU Energi i samarbejde med internationale universiteter og virksomheder
International status – Hvor er SOFC brændselsceller?
29 Akademiet 2015
Danmark
SOFC developed at Risø(now DTU Energy)
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Opsamling
30 Akademiet 2015
Hvordan kan vi dække vores behov med det, naturen tilbyder?
Vi skal konvertere energi fra vedvarende kilder til energiformer vi kan bruge, på de tidspunkter hvor vi har brug for dem.
Regeringens mål er et dansk samfund baseret på 100 pct. vedvarende energi i energi- og transportsektorerne i 2050.
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
Vi vil bevare et godt miljø for vores planet!
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Opsamling
Brintelektrode
Fastoxidelektrolyt
Luftelektrode
Brint eller naturgas, biogas, mm.
Elektricitet og varme
Brint og andre gasser (metan) eller væsker (metanol)
Elektricitet, vanddamp (og kuldioxid)
Vinden blæser stærkt om natten, hvor vi ikke lige har
brug for strøm
Brændselscelle
Akademiet 2015
Elektrolyse
Vinden blæser ikke, Vinden blæser ikke, solen skinner ikke og vi har brug for
strøm
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Med SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt
fastoxid elektrolyt
Opsamling
32
O2
H2
Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Med SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolytOg reagerer hver for sig på elektroderne
brint elektrodefastoxid elektrolytluft elektrode
Opsamling
33
O2 + 4e- 2O2-
O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-
O2
H2
Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
OpsamlingMed SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolytOg reagerer hver for sig på elektroderne
34
brint elektrodefastoxid elektrolytluft elektrode
Solid oxide electrolysis cell - SOEC
Solid oxide fuel cell - SOFC
O2 + 4e- 2O2-
O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-
e-
O2
H2
Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
OpsamlingMed SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolytOg reagerer hver for sig på elektroderne
35
brint elektrodefastoxid elektrolytluft elektrode
Solid oxide electrolysis cell - SOEC
Solid oxide fuel cell - SOFC
O2 + 4e- 2O2-
O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-
e-
O2
H2
Akademiet 2015
CO 2CO + 2O2- 2CO2 + 4e-?
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
OpsamlingMed SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolytOg reagerer hver for sig på elektroderne
36
brint elektrodefastoxid elektrolytluft elektrode
Solid oxide electrolysis cell - SOEC
Solid oxide fuel cell - SOFC
O2 + 4e- 2O2-
O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-
e-
O2
H2
Akademiet 2015
CO 2CO + 2O2- 2CO2 + 4e-?Kulbrinter (naturgas, biogas, diesel, etc.)Kulbrinter (naturgas, biogas, diesel, etc.)
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
OpsamlingVi laver strøm ved hjælp af en SOFC brændselscelle
37
fuel electrodesolid oxide electrolyteair electrode
Solid oxide electrolysis cell - SOEC
Solid oxide fuel cell - SOFC
O2 + 4e- 2O2-
O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-
e-
O2
H2
Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
OpsamlingVi laver strøm ved hjælp af en SOFC brændselscelle
38
fuel electrodesolid oxide electrolyteair electrode
Solid oxide electrolysis cell - SOEC
Solid oxide fuel cell - SOFC
O2 + 4e- 2O2-
O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-
e-
O2
H2
Akademiet 2015
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
OpsamlingVi gemmer strøm ved hjælp af SOEC elektrolyse
39
fuel electrodesolid oxide electrolyteair electrode
Solid oxide electrolysis cell - SOEC
Solid oxide fuel cell - SOFC
2O2- O2 + 4e-
O2-
O2
2H2O + 4e- 2H2 + 2O2-
e-
Akademiet 2015
H2
DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen
Opsamling
Forsøg med brændselsceller
Fremstilling
Afprøvning
Mikroskopi
40 Akademiet 2015
Tape casting Sprøjtning Silketryk Sintring
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 0.3 0.6 0.9 1.2j cell/ [A cm-2]
Uce
ll/ [V
]
LSC/CGO, PLD CGOLSCF/CGO, PLD CGOLSCF/CGO, Spin-coated CGOLSCF/CGO, Sprayed CGOLSM/YSZ
Tcell= 650 ºC; qfuel= 25 ml min-1cm-2; XaH2= 0.8, XaH2O= 0.2; qoxidant= 146 ml min-1cm-2, XcO2= 0.21