Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk
Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk
Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Netbalancering<br />
med fleksibelt<br />
elforbrug<br />
Strategi for F,U & D 2010-2018<br />
<strong>Elektrolyse</strong> i <strong>Danmark</strong><br />
EL<br />
H2<br />
Partnerskabet for <strong>Brint</strong> og Brændselsceller<br />
August 2009<br />
www.hydrogennet.<strong>dk</strong><br />
H2<br />
Stationær eller mobil<br />
H2<br />
EL<br />
El til<br />
øjeblikkelig<br />
forbrug<br />
<strong>Brint</strong> til distribution<br />
eller produktion af<br />
syntetiske brændsler<br />
El til almindeligt<br />
elforbrug.<br />
El til elmotorer<br />
i brintbiler
Indhold<br />
Resume .......................................................................................................................................................................................... 3<br />
1. Indledning ............................................................................................................................................................................. 4<br />
2. Formål ...................................................................................................................................................................................... 6<br />
3. Teknologier til elektrisk transport .................................................................................................................... 7<br />
3.1. <strong>Elektrolyse</strong>markedet på langt sigt<br />
3.2. <strong>Elektrolyse</strong>markedet på kortere sigt<br />
4. Teknologier ............................................................................................................................................................................ 12<br />
4.1. Generelt<br />
4.2. Karakteristika for de enkelte teknologier<br />
5. Udviklingspotentialet for teknologien ............................................................................................................ 14<br />
5.1. Aktører<br />
5.2. Konkurrenter<br />
6. Mål og indsatsområder ............................................................................................................................................... 18<br />
7. Finansiering ......................................................................................................................................................................... 23<br />
8. Aktuelle danske F&U-projekter inden for elektrolyse ....................................................................... 24<br />
Appendix A: Aktører inden for elektrolyseteknologi i <strong>Danmark</strong> ................................................... 25<br />
Appendix B: Virkningsgrader, øvre og nedre brændværdi ................................................................. 27<br />
<strong>Elektrolyse</strong> i <strong>Danmark</strong>, Strategi for F, U & D 2010-2018<br />
er udgivet af en arbejdsgruppe under Partnerskabet <strong>Brint</strong> og Brændselsceller<br />
i <strong>Danmark</strong>, august 2009.<br />
Arbejdsgruppen har bestået af følgende medlemmer:<br />
Direktør Aksel Mortensgaard, Partnerskabet for <strong>Brint</strong> og Brændselsceller<br />
Director Business Development Helge Holm-Larsen, Topsoe Fuel Cell A/S<br />
Manager Technical Administration Jens Olsen, Topsoe Fuel Cell A/S<br />
Forskningskoordinator Inger Pihl Byriel, <strong>Energinet</strong>.<strong>dk</strong><br />
Civilingeniør Anne Nielsen, EUDP-sekretariatet/Energistyrelsen<br />
Senior Developing Manager Aksel Hauge Pedersen, DONG Energy A/S<br />
R&D Manager Steen Yde-Andersen, IRD Fuel Cells A/S<br />
Development Engineer Jacob L. Bonde, IRD Fuel Cells A/S<br />
Technical Director Jesper Themsen, Dantherm Power A/S<br />
Business Development Manager Mikael Sloth, H2 Logic A/S<br />
Research Professor Mogens Mogensen, Risø DTU<br />
Head of Programme Allan Schrøder Pedersen, Risø DTU<br />
Head of Programme Peter Vang Henriksen, Risø DTU<br />
Associate Professor Jens Oluf Jensen, DTU<br />
Technical Manager Lars Yde, HIRC<br />
Teknisk Chef Per Frølich, Strandmøllen A/S<br />
Udviklingschef Kristina Fløche Julsgaard, SEAS-NVE<br />
Partnerskabets hjemmeside: www.hydrogennet.<strong>dk</strong><br />
Redaktionel bearbejdelse: journalist Steen Hartvig<br />
Jacobsen, Kommunikationsbureauet Rubrik<br />
Layout: MONTAGEbureauet Aps<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi<br />
2
Resume<br />
Strategien omfatter de tre elektrolyseteknologier: alkalisk elektro-<br />
lyse (AEC), PEM elektrolyse (PEMEC) og fastoxid-elektrolyse (SOEC).<br />
<strong>Elektrolyse</strong> kan på flere måder bidrage til at forøge andelen af ved-<br />
varende energi i det samlede energisystem. Via selve elektrolyse-<br />
processen kan elektrolyse bidrage med regulerkraft/lastudjævning<br />
i elnettet, medens elektrolysens slutprodukt – brint og syntetiske<br />
Foto. H2 Logic<br />
Anvendte forkortelser<br />
Tekniske:<br />
AEC: Alkalisk elektrolyse<br />
CHP: Combined Heat and Power<br />
DME: Dimethylether<br />
HHV: Øvre brændværdi<br />
HT-PEMEC: Høj-temperatur PEMEC<br />
LHV: Nedre brændværdi<br />
LSM: Lantan-strontium-manganat<br />
LT-PEMEC: Lav-temperatur PEMEC<br />
PE: Polyethylen<br />
PEM: Proton Exchange Membrane<br />
PEMEC: Proton Exchange Membrane elektrolysator<br />
PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell<br />
PP: Polypropylen<br />
SNG: Syntetisk naturgas<br />
SOEC : Solid Oxide Electrolysator Cell<br />
SOFC : Solid Oxide Fuel Cell<br />
VE : Vedvarende energi<br />
YSZ : Yttria-stabiliseret zirkonia<br />
brændsler – kan lagres, så det kan anvendes enten til energiproduktion,<br />
f.eks. el og varme, eller til transportformål.<br />
Pris og virkningsgrad er de to vigtigste parametre, når det fremti-<br />
dige potentiale for elektrolyseteknologi skal vurderes. Det er et mål<br />
for den danske indsats, at der fra 2020 kan produceres brændsler via<br />
elektrolyse af el produceret fra vedvarende energikilder til en fremstillingspris,<br />
der ikke overstiger prisen af tilsvarende fossile brændsler,<br />
som for eksempel brintfremstilling ved reformering af naturgas.<br />
På grundlag af den danske brændselscelleudvikling og med bag-<br />
grund i danske systemkompetencer har <strong>Danmark</strong> gode forudsæt-<br />
ninger for at udvikle og kommercialisere teknologier til elektrolyse.<br />
Det er hensigten, at elektrolysestrategien skal revideres første gang<br />
ultimo 2011 for at afspejle den kommende udvikling og for at kunne<br />
prioritere den fremtidige indsats på grundlag af opnåede resultater.<br />
Det vurderes, at der i perioden 2009 til 2011 er behov for yderligere<br />
offentlig støtte på 35 mio. DKK til forskning, udvikling og demonstration<br />
af elektrolyseteknologier.<br />
Udsnit af et brintanlæg fra H2 Logic,<br />
baseret på alkalisk elektrolyse.<br />
Organisationer:<br />
AAU : Aalborg Universitet<br />
AU-HIH : Århus Universitet – Handels- og Ingeniørhøjskolen<br />
i Herning<br />
DTU : <strong>Danmark</strong>s Tekniske Universitet<br />
ECN : The Energy Research Centre of the Netherlands<br />
HIRC: Hydrogen Innovation & Research Centre<br />
IEA: International Energy Agency<br />
IRD: IRD Fuel Cells A/S<br />
OECD: Organisation for Economic Co-operation<br />
and Development<br />
TOFC: Topsoe Fuel Cell A/S<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi<br />
3
1. Indledning<br />
<strong>Elektrolyse</strong> af vand er grundlæggende en kendt teknologi, men<br />
metoden har hidtil ikke vundet stor udbredelse, da brintfremstilling<br />
ved reformering af fossile brændsler, typisk naturgas, hidtil<br />
har været billigere. De politiske mål om at reducere udslip af<br />
drivhusgasser, fremme uafhængigheden af fossile brændsler og<br />
øge andelen af vedvarende energi kan imidlertid medføre, at<br />
rammevilkårene ændres til gunst for elektrolyse af vand. Meget<br />
Foto: GreenHydrogen.<strong>dk</strong> Foto: Danish Power Systems<br />
tyder på, at elektrolyse på sigt kan komme til at spille en vigtig<br />
rolle i energikonvertering i forbindelse med øget anvendelse af<br />
vedvarende energi. De to væsentligste faktorer, der også er de<br />
centrale indsatsområder for denne strategi, er dels elsystemets<br />
stigende behov for regulerkraft/lastudjævning, hvor behovet allerede<br />
nu er påtrængende, dels behovet for at kunne producere<br />
brændsler, særligt til transportsektoren (brint/syntetiske brændsler),<br />
der via konvertering af et overskud af VE elektricitet ikke<br />
medfører udslip af CO2. Regeringen fremlagde den 19. januar 2007 sin langsigtede energipolitik<br />
i ”En visionær energipolitik 2025”, der efterfølgende<br />
blev udmøntet i energiaftalen af 21. februar 20081) , hvori der<br />
bl.a. sættes som mål at udfase anvendelsen af fossile brændsler<br />
og forøge andelen af vedvarende energi. Baggrunden for energiaftalen<br />
er ønsket om at begrænse CO2-udledningen, at skabe<br />
energiforsyningsmæssig uafhængighed af politisk ustabile nationer<br />
samt at skabe erhvervsmæssigt potentiale for øget eksport af<br />
1) 193.88.185.141/Graphics/Energipolitik/dansk_energipolitik/Energistrategi2025/Praesentation_Energistrategi_190107_Endelig.pdf<br />
2) www.kemin.<strong>dk</strong>/da-DK/KlimaogEnergipolitik/EUsklimaogenergipolitik/klima-ogenergipakken/Sider/Forside.aspx<br />
På billedet til venstre ses GreenHydrogens elektrolyseanlæg. Kassen<br />
med den blå fronstside rummer selve elektrolysator-stakken, mens<br />
brintdelen har rød farve, og iltdelen er hvid. På billedet til højre<br />
fremviser en medarbejder ved Danish Power Systems en PEMECmembran<br />
og polymere tråde.<br />
energiteknologi. <strong>Elektrolyse</strong>teknologierne understøtter alle disse<br />
politiske målsætninger. EU’s Klima- og Energipakke, der blev endeligt<br />
vedtaget af Rådet i december 2008, indeholder tilsvarende<br />
politiske mål som den danske energiaftale2) .<br />
Med en øget andel af fluktuerende vedvarende energi i form af<br />
vind-, sol- og bølgeenergi vil behovet for energikonvertering fra<br />
elektricitet til andre energiformer øges. På den ene side fordi der<br />
vil være et behov for at lagre energi fra perioder med høj VE produktion<br />
til brug i perioder med lav, på den anden side fordi der er<br />
investeret store ressourcer i den etablerede energiinfrastruktur,<br />
som derfor bør søges udnyttet så effektivt som muligt. Desuden<br />
er der i transportsektoren et stort behov for brændsel med høj<br />
energitæthed, herunder for eksempel syntetiske brændstoffer.<br />
En anseelig del af transportarbejdet vil formentlig kunne baseres<br />
på elbiler, hvor en væsentlig del af elbehovet produceres ved<br />
hjælp af brændselceller om bord i køretøjet.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 4
Sådan kan Topsoe Fuel Cells stakke<br />
af SOEC-elektrolysatorer komme til<br />
at se ud.<br />
Hvis en stigende andel af vedvarende elektricitet<br />
skal indpasses i energisystemet, forventes konvertering<br />
af elektricitet til brændsel på sigt at blive<br />
en central byggesten. Det er i den sammenhæng<br />
ikke afgørende, om dette brændsel er brint, eller<br />
om man i stedet vælger at fremstille syntetiske<br />
flydende brændsler. I begge tilfælde er den foreløbigt<br />
eneste realistiske konverteringsmetode elektrolyse.<br />
Det forventes, at brint og brændselsceller kommer<br />
til at spille en væsentlig rolle i fremtidens energisystem.<br />
I 2005 udarbejdede Energistyrelsen, Eltra,<br />
Elkraft og Videnskabsministeriet en samlet dansk<br />
strategi ”<strong>Brint</strong>teknologier - strategi for forskning,<br />
udvikling og demonstration i <strong>Danmark</strong>” 3) , hvori de<br />
overordnede træk m.h.t. behov og muligheder på<br />
brintområdet blev beskrevet.<br />
I direkte forlængelse heraf etableredes ”Partner-<br />
skabet for <strong>Brint</strong> og Brændselsceller” med under-<br />
grupper inden for bl.a. brint og brændselsceller til<br />
transportformål.<br />
Brændselsceller er i dag et meget aktivt forsknings- og udvik-<br />
lingsområde i <strong>Danmark</strong>, og de forskellige teknologier har nået<br />
et stade, hvor demonstrationsprojekter og kommercielle nichemarkeder<br />
er aktuelle. Der har derimod ikke hidtil været samme<br />
opmærksomhed på elektrolyseområdet.<br />
Det skyldes formodentlig, at teknologien i form af den alkaliske<br />
elektrolysator har været anset for mere eller mindre færdigudviklet,<br />
omend den lader en del tilbage at ønske bl.a. m.h.t.<br />
virkningsgrad. Det er i det hele taget påfaldende, hvor relativt<br />
få aktører, der internationalt er engageret inden for elektrolyseområdet<br />
sammenlignet med brændselsceller. Det være sig både<br />
forskningsmiljøer og virksomheder.<br />
For at belyse state-of-the-art på elektrolyseområdet samt de<br />
tekniske muligheder for dels at videreudvikle, dels at indpasse<br />
teknologien, har DTU Kemi, Risø DTU og DONG Energy som led i<br />
3) 193.88.185.141/Graphics/Publikationer/Energiforskning/<strong>Brint</strong>teknologier_juni_2005/index.htm<br />
Foto: Topsoe Fuel Cell A/S<br />
Vestforsyning er et af de elselskaber, der har involveret sig I den danske brintudvikling.<br />
- Foto: H2 Logic<br />
et ForskEL-projekt (2006-1-6287) i 2008 udarbejdet udredningsrapporten<br />
”Pre-Investigation of Water Electrolysis”. I rapporten<br />
argumenteres for, at det er nødvendigt at accelerere forskningsog<br />
udviklingsarbejdet med elektrolyse.<br />
Rapporten påpeger, at der findes en række muligheder for væsentlige<br />
forbedringer af den i dag kendte teknologi (f.eks. øget<br />
driftstemperatur og direkte fremstilling af syntesegas i elektrolysecellen).<br />
Med den accelererede forsknings- og udviklingsindsats,<br />
der lægges op til, vil elektrolyse kunne udvikle sig til en<br />
vigtig byggeklods i energisystemet fra 2015-2020.<br />
Dette strategidokument er blevet udarbejdet for at koordinere<br />
og fokusere/målrette dette udviklingsarbejde samt at give en<br />
referenceramme, som kan bruges til at vurdere fremtidige elektrolyseaktiviteter.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 5
2. Formål<br />
Strategien skal fokusere dansk forskning, udvikling og demonstration<br />
inden for elektrolyse for at fremme hensigtsmæssig brug<br />
af vedvarende energi i energisystemet samt skabe økonomisk<br />
vækst med flere arbejdspladser og øget eksport.<br />
Foto: Annette Greenfort/Bass<br />
❚ Strategien gennemgår tre danske elektrolyse-indsatsområder,<br />
identificerer ønskede tiltag og giver enkelte anbefalinger om<br />
F, U & D<br />
❚ Strategien skal bidrage til at synliggøre og målrette den fortsatte<br />
udvikling af danske kompetencer inden for elektrolyse<br />
❚ Offentlige finansieringskilder kan bruge strategien til at prioritere<br />
de offentlige midler i den nationale indsats inden for<br />
udvikling og demonstration af elektrolyse<br />
❚ Regioner, vækstfora og kommuner kan bruge strategien som<br />
støtte til at prioritere indsatsen og at koordinere med andre<br />
regioner, vækstfora, kommuner og virksomheder, så der opnås<br />
størst mulig nytteværdi af de anvendte ressourcer<br />
Lolland kommune har engageret sig stærkt i udviklingen af brintteknologi.<br />
Her ses brintproduktionsanlægget til det lokale demonstratorium.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>anlægget er betalt af og ejes af SEAS-NVE.<br />
Lagertanken og brintnettet ejes af Lolland kommune.<br />
❚ Danske virksomheder samt forsknings- og udviklingsinstitutioner<br />
kan anvende strategien til at målrette anvendelsen af<br />
deres ressourcer på områder, der bidrager mest effektivt til<br />
at fremme danske styrkepositioner inden for komponenter og<br />
systemløsninger<br />
❚ Strategien skal endvidere medvirke til at synliggøre den<br />
langsigtede danske indsats og de danske kompetencer med<br />
henblik på at tiltrække internationale samarbejdspartnere til<br />
virksomheder og vidensmiljøer i <strong>Danmark</strong><br />
❚ Strategien kan lette en koordinering af den danske indsats<br />
med den internationale indsats på området, både i europæisk<br />
og øvrig international sammenhæng.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 6
3. Teknologier til elektrisk transport<br />
Den danske elektrolysestrategi har til formål at sikre det fremtidige<br />
behov for elektrolyse på energimarkedet, herunder både<br />
regulerkraft og konvertering til syntetiske brændstoffer som brint<br />
og syntetisk naturgas. På et senere tidspunkt kan det blive relevant<br />
at inddrage elektrolysens potentiale i andre industrielle<br />
sammenhæng.<br />
Det globale marked for elektrolyse til anvendelse på energiområdet,<br />
kan opdeles i et her og nu marked for demonstration og<br />
nicheanvendelser samt et langsigtet marked for produktion af<br />
brint/syntesegas til en lang række energimæssige og industrielle<br />
formål. Dette strategidokument vil først beskrive de langsigtede<br />
markedsmuligheder og dernæst hvordan dette marked kan<br />
nås ved at udnytte nichemarkeder og andre anvendelser, der kan<br />
åbnes på kortere sigt.<br />
Pris og virkningsgrad er de to vigtigste parametre, når det fremtidige<br />
potentiale for elektrolyseteknologi skal vurderes. Virkningsgrad,<br />
strømtæthed og pris for et elektrolyseanlæg hænger<br />
sammen. Virkningsgraden stiger for et elektrolyseanlæg, når belastningen<br />
falder. Driftspunktet for et elektrolyseanlæg vil derfor<br />
være en afvejning af driftsudgifter og anlægspris i forhold til levetiden<br />
af hensyn til den bedst mulige rentabilitet for anlægget.<br />
I figur 3.1 er den forventede prisudvikling angivet for de tre elek-<br />
trolyseteknologier ved en elpris på 0,50 DKK/kWh sammenlignet<br />
med omkostningerne for den konventionelle brintproduktionsproces<br />
(reformering af naturgas) ved oliepriser på hhv. 260 DKK/<br />
tønde og 1040 DKK/tønde (hhv. 50 og 200 USD/tønde).<br />
Ved formuleringen af målsætningerne for virkningsgraden for<br />
elektrolyseanlæg er der i denne elektrolysestrategi anvendt øvre<br />
brændværdi (HHV) hvis ikke andet er anført. Appendix B (side<br />
27) forklarer begreberne virkningsgrad og brændværdi (øvre:<br />
HHV, nedre LHV) og deres sammenhæng inden for elektrolyse.<br />
Foto: Risø DTU<br />
Figur 3.1 Prisudvikling for de tre elektrolyseteknologier sammenlignet med brint produceret ved reformering af naturgas<br />
Prisudvikling, <strong>Brint</strong>produktion<br />
DKK/Nm<br />
14,00<br />
3 H2<br />
12,00<br />
10,00<br />
8,00<br />
6,00<br />
4,00<br />
2,00<br />
0,00<br />
2005 2010 2015 2020 2025 2030<br />
To Risø DTU medarbejdere ved en af Risø DTUs<br />
elektrolyse-teststande.<br />
Reforming (260 DKK/bbl OE) + distribution<br />
Reforming (1040 DKK/bbl OE) + distribution<br />
SOEC (storskala)<br />
PEM EC (lille skala)<br />
AEC (1 MW)<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 7
3.1. <strong>Elektrolyse</strong>markedet<br />
på langt sigt<br />
Markedet for elektrolyse til energiformål, der betragtes som langsigtet,<br />
er svært at kvantificere præcist, da det er et nyt marked.<br />
Der findes ikke relevant historisk markedsinformation, og markedets<br />
størrelsesorden kvantificeres bedst via scenarie-analyse.<br />
De elementer, der indgår i sådanne scanarie-analyser, er bl.a.<br />
følgende:<br />
❚ Netbalancering, hvor elektrolyse og lagring af brændsel f. eks.<br />
kan kombineres med en brændselscellegenerator for at udjævne<br />
belastnings- eller produktionsprofiler<br />
❚ Forsyning af lokale brintnet, f.eks. til mikro-CHP og tankstationer<br />
for køretøjer.<br />
❚ Indfødning af brint eller syntetisk naturgas på naturgasnettet,<br />
så eksisterende infrastruktur udnyttes<br />
❚ Produktion af syntetisk brændstof med høj energitæthed (metanol,<br />
DME, synfuels etc) via højtemperaturelektrolyse (SOEC)<br />
❚ Generel anvendelse af brint (og ilt) fra elektrolyse til at forøge<br />
virkningsgraden i biomasse-forgasning samt nyttiggørelse af CO2. ❚ Produktion af andre syntetiske stoffer på langt sigt (Polyethylen<br />
(PE), Polypropylen (PP) og andre typer plastik).<br />
Der er et vist overlap mellem disse markedssegmenter. Men selv<br />
når der tages højde for disse overlap, vil der, som det fremgår<br />
af de efterfølgende opgørelser, på sigt være et stort potentielt<br />
marked for elektrolyseteknologi til energiformål.<br />
Netbalancering<br />
med fleksibelt<br />
elforbrug<br />
EL<br />
H2<br />
<strong>Elektrolyse</strong> til indpasning af VE elektricitet<br />
I <strong>Danmark</strong> kan der som led i opfyldelsen af regeringens målsætning<br />
om 30 % VE i 20251) forventes installeret op mod 6700 MW<br />
vindmøllekapacitet4) . For at kunne indpasse elproduktionen fra<br />
så stor en vindmøllekapacitet under hensyntagen til døgn- og<br />
årsvariationen i elforbruget, vil der være et behov for tekniske<br />
løsninger til energilagring/netbalancering, selv når der tages<br />
højde for mulighederne for at udjævne ved hjælp af import/<br />
eksport af el.<br />
I rapporten om effektiv anvendelse af vin<strong>dk</strong>raftbaseret el i <strong>Danmark</strong><br />
fra marts 20094) er der regnet på en referencesituation i<br />
2025 med 6700 MW vindmøllekapacitet uden brug af virkemidler<br />
til energilagring/netbalancering. I en sådan referencesituation<br />
for 2025 vil der være et kritisk eloverløb på 90 GWh/år.<br />
Rapporten fokuserer primært på varmepumper og elbiler som<br />
virkemidler til at forebygge det kritiske eloverløb, men hvis udviklingen<br />
af elektrolyseteknologier bliver så succesfuld, at 10 %<br />
af netbalanceringen kan dækkes af elektrolyse, giver det en installeret<br />
elektrolyseeffekt på 400 MW, svarende til et marked på<br />
ca. 2 mia. DKK i perioden frem til 2025.<br />
Behovet for energilagring/netbalancering (installeret elektroly-<br />
seeffekt o.a. teknologier) bliver større på længere sigt i forbindelse<br />
med implementeringen af regeringens langsigtede målsætning<br />
om, at 100 % af energiforbruget skal dækkes af VE, jfr. regeringens<br />
”En visionær energipolitik 2025”.<br />
1) ”En visionær energipolitik 2025” 4) Rapporten ”Effektiv anvendelse af vin<strong>dk</strong>raftbaseret el i <strong>Danmark</strong>” kan downloades<br />
fra www.energinet.<strong>dk</strong>/NR/rdonlyres/6FB8F834-77C8-4BA7-9AD4-07AFE2A09AB2/0/<br />
Samspilmellemvin<strong>dk</strong>raftudvekslingsforbindelservarmpumperogelbilerResume.pdf<br />
Figur 3.2 Netbalancering, med elektrolyse og brændselsceller<br />
H2<br />
Stationær eller mobil<br />
H2<br />
EL<br />
El til<br />
øjeblikkelig<br />
forbrug<br />
<strong>Brint</strong> til distribution<br />
eller produktion af<br />
syntetiske brændsler<br />
El til almindeligt<br />
elforbrug.<br />
El til elmotorer<br />
i brintbiler<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 8
<strong>Elektrolyse</strong> til transportbrændstoffer<br />
Hvis brint eller andre elektrolysebaserede brændsler bliver indført<br />
generelt i transportsektoren, vil der alene i <strong>Danmark</strong> være et<br />
teoretisk markedspotentiale på ca. 4000 MW installeret effekt5) .<br />
Med en forudsætning om at brændselscelle-batteri hybrider<br />
dækker 33 % af transportarbejdet, hvoraf 30 % er brændselscellebaseret,<br />
vil omtrent 10 % af dette potentiale kunne udmøntes.<br />
Dette svarer til 400 MW installeret effekt i <strong>Danmark</strong> svarende til<br />
yderligere ca. 2 mia. DKK.<br />
<strong>Elektrolyse</strong> til kraftvarme brændstof<br />
Hvis brint eller syntetisk naturgas (SNG) skal benyttes til kraftvarme,<br />
vil det også forudsætte en øget anvendelse af elektrolyse.<br />
Tages der udgangspunkt i, at 25 % lokal kraftvarme erstattes med<br />
brint- eller SNG baseret mCHP, svarer dette til 600 MW installeret<br />
effekt eller et markedspotentiale på godt 3 mia. DKK6) .<br />
Forudsættes indfasning af teknologien over 5-10 år samt et europæisk<br />
marked, der er 30 gange større end det danske, vil alene<br />
ét af de 3 ovennævnte anvendelsesområder skabe et europæisk<br />
marked for elektrolyse på 10 – 20 mia. DKK/år.<br />
<strong>Elektrolyse</strong> til syntetiske<br />
brændstoffer med høj energitæthed<br />
Fremstilling af metanol og andre flydende brændsler er en<br />
yderligere mulighed med elektrolyse (Figur 3.4 side 10). Den<br />
nuværende markedsværdi af verdens metanolproduktion er<br />
ca. 75 mia. DKK/år7) Værdien af verdens ethanolproduktion er<br />
i størrelsesordenen 150 mia. DKK/år8) , mens værdien af andre<br />
flydende brændstoffer overstiger 7.500 mia. DKK/år. Med den<br />
5) Teknologisk Instituts rapport ”Lagring af brint i højtryksbeholdere” (ForskEL-projekt 5776)<br />
6) EFP-projekt CanDan UPS og NT brændselscelle systemudvikling and pilot test (ENS<br />
33032-0208)<br />
7) Ifølge www.methanex.com<br />
merværdi, som elektrolyse kan skabe i forbindelse med forgasning<br />
af biomasse, virker et langsigtet verdensmarked for denne<br />
type elektrolyseprodukter på over 375 mia. DKK/år ikke urimeligt<br />
optimistisk.<br />
Infrastruktur<br />
Typisk regnes levetiden af infrastruktur i vores energiforsyningssystem<br />
for at være mindst 30 år, og den eksisterende infrastruktur<br />
er derfor en faktor, der har indflydelse på de samfundsøkonomiske<br />
beregningsforudsætninger for nye energiteknologier som<br />
elektrolyse over en tidshorisont, der ligger væsentlig ud over<br />
2025. Derfor indgår den infrastruktur, der allerede er etableret i<br />
<strong>Danmark</strong>, som en væsentlig del af de forudsætninger, der ligger<br />
til grund for de ovennævnte scenarier.<br />
3.2. <strong>Elektrolyse</strong>markedet<br />
på kortere sigt<br />
Fokus på vedvarende energi og langsigtede forsyningsmæssige<br />
hensyn skaber i dag en stærkt voksende interesse i en lang række<br />
lande for for at kunne lagre elektricitet, og denne interesse baner<br />
vej for demonstrationsprojekter inden for de relevante teknologier.<br />
I <strong>Danmark</strong> er der to elektrolyse anlæg i drift 9) i forbindelse med<br />
brint til transport. Tre andre projekter er installeret/under installation<br />
i forbindelse med Samsø Energiakademi, H2College i<br />
Herning og <strong>Brint</strong>byen i Vestenskov på Lolland10) . Et nyt elektrolyseanlæg<br />
er netop besluttet opført og sat i drift på Grønland. Udfordringen<br />
for disse projekter er, at elektrolyse og lagringsdelen<br />
Figur 3.3 Vækst i VE’s bidrag, herunder ikke regulerbar VE, hvor ikke regulerbar VE vokser til over 50% af total VE<br />
18.000<br />
16.000<br />
14.000<br />
12.000<br />
10.000<br />
8.000<br />
6.000<br />
4.000<br />
2.000<br />
Produktion af vedvarende energi (TWh/år)<br />
0<br />
1990 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050<br />
8) Ifølge www.marketresearchanalyst.com/2008/01/26/world-ethanol-production-<br />
forecast-2008-2012/<br />
9) www.hydrogenlink.net/vestjylland samt rapport fra Elforsk-projekt 335-001, der kan<br />
downloades fra www.elforsk.<strong>dk</strong>/projektinfo.asp?projektID=10<br />
10) www.energiakademiet.<strong>dk</strong>, www.h2college.<strong>dk</strong> og www.h2-lolland.<strong>dk</strong><br />
■ Andre<br />
■ Bølgekraft/tidevand<br />
■ Geotermi<br />
■ Biomasse/affald<br />
■ Sol: Koncentreret solenergi (CSP)<br />
■ Sol: Solceller (PV)<br />
■ Vin<strong>dk</strong>raft<br />
■ Van<strong>dk</strong>raft<br />
Kilde: IEA’s Energy Technology Perspectives 2008,<br />
Blue Scenario, OECD/IEA, Paris, 2008<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi<br />
9
er væsentligt dyrere komponenter end brændselscellerne i det<br />
samlede anlæg.<br />
I Nordamerika og andre lande planlægges en lang række pro-<br />
jekter, hvor små lokalsamfund bliver forsynet med vedvarende<br />
energi fra vindmøller eller van<strong>dk</strong>raft, og hvor ubalancer i udbud<br />
og efterspørgsel bliver udlignet via lagring i brint.<br />
På demonstrationsmarkedet er der fokus på virkningsgrad og<br />
pris, men der er samtidig en forståelse for, at teknologien kræver<br />
yderligere udvikling, før den er konkurrencedygtig på virkningsgrad<br />
og pris, og at de nødvendige demonstrationsprojekter derfor<br />
har brug for en særlig støtte.<br />
Figur 3.6 side 11 illustrerer markedsintroduktion af dansk elektrolyse,<br />
hvor der startes fra tidlig demonstration af brintsamfundet<br />
med begrænsede krav til virkningsgrad som den første fase.<br />
Figur 3.4 Anvendelse af elektrolyseprodukter til forøgelse af virkningsgrad i biomasse forgasning<br />
Biomasse<br />
Vand ilt Biomasse syngas<br />
<strong>Elektrolyse</strong> Syntese<br />
forgasning<br />
<strong>Brint</strong><br />
<strong>Brint</strong> fra elektrolysen anvendes til justering af sammensætningen<br />
af syntesegas fra forgasseren, så syntesegassen kan udnyttes<br />
langt mere effektivt. Ilt fra elektrolysen kan eliminere behov<br />
Introduktionen går derefter via tidlige markeder såsom fjerntliggende<br />
samfund med moderate krav til virkningsgrad frem mod<br />
de store markeder inden for produktion af biobrændsler, transportbrændstof<br />
og netbalancering, hvor virkningsgrad er altafgørende<br />
for, at elektrolyse kan bidrage til et effektivt energisystem.<br />
<strong>Brint</strong> anvendes i dag i en lang række nicher i procesindustrien.<br />
Markedet for elektrolyse til denne brintproduktion er i størrelsesordenen<br />
310 mio. DKK/år på verdensplan. Dette marked er<br />
karakteriseret af en lav prisfølsomhed og moderate krav til virkningsgrad,<br />
men in<strong>dk</strong>øberne har stor fokus på holdbarhed og pålidelighed,<br />
da disse anlæg anvendes i industrielle miljøer som meget<br />
små dele af store produktionsanlæg. Dette marked vurderes<br />
at være en velegnet introduktion for nyudviklede elektrolyseteknologier,<br />
hvor danske virksomheder har potentiale for at kunne<br />
etablere sig, fordi det er et nichemarked præget af moderat konkurrence<br />
og høj indtjening. Barriererne for markedsindtrængning<br />
Naturgas/<br />
flydende biobrændsel<br />
for kryogent iltanlæg. Dermed fordobles den mængde biobrændstof,<br />
der kan dyrkes på de forhåndenværende arealer, og CO2 emissionen og anlægsinvesteringen reduceres.<br />
Figur 3.5 Forventet vækst i biomasse til flydende brændstof (BtL), hvor elektrolyse kan fordoble potentialet<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
Exajoules (EJ) Mtoe<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0<br />
2005 2020 2035 2050<br />
200<br />
Millioner hektar<br />
180<br />
■ Biodiesel: Biomass to Liquid (BtL)<br />
160<br />
■ Biodiesel: Vegatabilsk olie (Fischer-Tropsch m.v.)<br />
140<br />
■ Bioethanol fra cellulose<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
■ Bioethanol fra sukker<br />
■ Bioethanol fra korn<br />
40<br />
Kilde: IEA’s Energy Technology Perspectives 2008,<br />
20<br />
0<br />
Blue Scenario, OECD/IEA, Paris, 2008<br />
2005 2020 2035 2050<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi<br />
10
vurderes som begrænsede, da den etablerede elektrolyseindustri<br />
hverken er stærk eller protektionistisk.<br />
Brændselscelleteknologien er i dag stærkt på vej på markedet i<br />
kraft af konkurrencedygtige priser på flere nichemarkeder. Synergien<br />
mellem elektrolyse og brændselsceller kan skabe hurtigere<br />
produktmodning og markedsintroduktion for elektrolyse og gensidig<br />
forøgelse af markedsvolumen.<br />
Sammenfattende kan det konkluderes, at der på kort sigt findes<br />
et markedspotentiale, der tillader en gradvis indtrængen, der<br />
matcher de danske kompetencer i form af teknologisk indsigt og<br />
Figur 3.6 Udviklingen fra tidlig demonstration<br />
til fuld kommercialisering<br />
Pris<br />
Demonstration af<br />
brint samfund<br />
Figur 3.7 Anvendelse af CO 2 via elektrolyse<br />
Vand<br />
CO 2<br />
El-lagring<br />
i fjerne egne<br />
Mikrokraftvarme<br />
Produktion af<br />
biobrændsler<br />
VE elektricitet<br />
<strong>Brint</strong> til transport<br />
El-lagring<br />
i elsystemet<br />
(Netbalancering)<br />
Produktion af<br />
syntetiske stoffer<br />
(plastik mv.)<br />
Virkningsgrad<br />
syngas<br />
SOEC Syntese<br />
kapitalberedskab, samt at der på langt sigt findes et meget stort<br />
markedspotentiale for elektrolyse. Demonstrationsmarkedet for<br />
elektrolyse til energiformål er på vej til at blive etableret og forventes<br />
at vokse væsentligt i de kommende år. Dermed er der et<br />
meget interessant vækstmarked for den danske satsning inden<br />
for elektrolyse.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>bygningen hos Samsø Energiakademi med<br />
tilhørende lagertank.<br />
Foto: GreenHydrogen.<strong>dk</strong><br />
Bioplastik/<br />
flydende biobrændsler<br />
CO 2 udvundet fra røggas mv, f.eks. med anvendelse af CCS-teknologier, kan bruges som et råstof i en SOEC elektrolysator<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi<br />
11
4. Teknologier<br />
4.1. Generelt<br />
<strong>Elektrolyse</strong> er en proces, hvor man ved hjælp af elektricitet fremstiller<br />
nye forbindelser. Når elektrolyse anvendes i forbindelse<br />
med vedvarende energi, bruges processen sædvanligvis til fremstilling<br />
af brint eller syntesegas.<br />
Den praktiske udformning af elektrolyseprocessen kan være<br />
meget forskellig, men er baseret på en elektrolysecelle med to<br />
elektroder. Stoffet eller stofferne, der skal omdannes, tilføres<br />
elektrolysecellen i takt med tilførslen af elektricitet. Elektriciteten<br />
tilføres som jævnstrøm med en spænding tilpasset antallet<br />
af elektrolyseceller i elektrolysestakken.<br />
De forventede generelle fordele ved de elektrolyseanlæg, som<br />
skal udvikles og demonstreres, er relateret til:<br />
❚ Høj virkningsgrad<br />
❚ Miljøvenlig, ingen forurening eller CO2 udledning<br />
❚ Modulær opbygning, der kan tilpasses central eller decentral<br />
el-produktion<br />
❚ Kort responstid, systemet kan bidrage til belastningsudjævning<br />
ved hurtige og store variationer i elsystemets belastning<br />
❚ Høj effekttæthed (~1 MW/m3 brint)<br />
Partnerskabet for <strong>Brint</strong> og Brændselsceller har besluttet at prioritere<br />
følgende elektrolyseteknologier i strategidokumentet:<br />
❚ Alkalisk elektrolyse<br />
❚ PEM elektrolyse<br />
❚ Solid Oxide elektrolyse<br />
4.2. Karakteristika for de<br />
enkelte teknologier<br />
Alkalisk elektrolyse (AEC)<br />
Alkalisk elektrolyse repræsenterer en moden teknologi til on<br />
site produktion af brint til industrielle processer. For at en dansk<br />
udviklet AEC-teknologi skal kunne konkurrere med eksisterende<br />
teknologier/brændsler på energimarkedet, og for at kunne konkurrere<br />
med leverandører af konventionel AEC-teknologi er det<br />
nødvendigt at videreudvikle teknologien, så effektiviteten øges<br />
og anlægsprisen reduceres, for derved at reducere anlægs- og<br />
driftsomkostninger.<br />
Anode- og katode-elektroderne i alkaliske elektrolyseanlæg er<br />
typisk fremstillet af nikkel eller forniklet stål påført katalytiske<br />
belægninger. Katalysatorerne kan være ædle eller ikke ædle metaller.<br />
Elektrolytten er en ca. 25 % vandig opløsning af KOH (kaliumhydroxyd).<br />
<strong>Brint</strong> og ilt adskilles i cellerne af et diaphragma/<br />
membran, der er gennemtrængelig for vand og hydroxyl ioner,<br />
men samtidig gastæt.<br />
Forøgelse af driftstemperaturen fra de i dag normalt anvendte<br />
80 til over 200 °C kan forøge el-effektiviteten for anlæggene<br />
ganske betydeligt, ligesom højt driftstryk på stakken vil forøge<br />
systemeffektiviteten, idet energiforbruget til den efterfølgende<br />
komprimering reduceres. Den forsknings- og udviklingsmæssige<br />
udfordring er at sikre den nødvendige materialestabilitet<br />
for elektroder, diaphragmer og pakninger. Der er identificeret<br />
brugbare materialer, som ikke er dyrere end de materialer, der<br />
anvendes ved 80 °C, men der mangler langtidstest (flere år) til<br />
at eftervise deres kommercielle anvendelighed.<br />
Den alkaliske teknologi er pga. sin prisbillighed anvendelig til<br />
alle størrelser anlæg. Lige fra de helt små kW anlæg, der anvendes<br />
sammen med husstands CHP anlæg til 100 MW store anlæg<br />
til netbalancering. Den maksimale stakstørrelse er i dag på 3,4<br />
MW.<br />
PEM elektrolyse (PEMEC)<br />
PEM-elektrolysecellen minder principielt om PEM-brændselscellen<br />
(PEMFC) og væsentlige dele af de senere års tekniske<br />
landvindinger inden for PEMFC kan også bruges til PEM-elektrolyseanlæg.<br />
En PEM-elektrolysecelle er opbygget omkring en<br />
polymerelektrolytmembran (PEM), der er i umiddelbar kontakt<br />
med to gasdifussionelektroder, der udvikler henholdsvis ilt og<br />
brint.<br />
Elektrolytmembranen er som regel en perfluoreret polysulfonsyre<br />
ionbytter membran eksemplificeret ved produktet Nafion®,<br />
der er standardelektrolytten i den analoge brændselscelle. Elektrolytmembranens<br />
egenskaber bestemmer anlæggets driftstemperatur.<br />
Lav-temperatur PEMEC (LT-PEMEC) har driftstemperaturer<br />
på 65–85 °C, og høj-temperatur PEMEC (HT-PEMEC) vil have driftstemperaturer<br />
på 160–180 °C.<br />
Katalysatoren på begge gasdiffusionselektroder er platin eller<br />
ædelmetal legeringer. Der, hvor PEM-elektrolysecellen adskiller<br />
sig tydeligst fra PEM-brændselscellen, er på iltelektroden, som<br />
udover katalysatoren må fremstilles af andre materialer end kulstof<br />
eller rustfrit stål, der er standard i PEMFC. Grunden til dette<br />
er, at elektrolyseceller har en højere cellespænding end brændselsceller.<br />
Gasddiffusionsdelen af elektroden fremstilles derfor af<br />
korrosionsbestandige materialer som f.eks. titan. Elektrolytmem-<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 12
anen gør det sammen med de metalbaserede, porøse gasdif-<br />
fusionselektroder muligt at fremstille rent brint under højt tryk.<br />
PEM elektrolyseanlæg, der fremstiller brint ved 350 bar, er under<br />
udvikling.<br />
Status for kommercialisering af teknologien er, at små PEMEC<br />
anlæg til industrielle formål findes på markedet. Teknologien er<br />
endnu ikke så etableret som AEC, men flere firmaer, der sælger<br />
alkaliske elektrolyseanlæg, markedsfører også PEM elektrolyseanlæg.<br />
Selvom PEMEC kun kendes fra små anlæg, er der ikke noget i<br />
teknologien, der vil forhindre opbygning af store anlæg. Anlæg i<br />
MW størrelse baseret på PEM teknologi bruges til fremstilling af<br />
klor, brint og natriumhydroxid i klor/alkali-industrien.<br />
Fastoxid-elektrolyse<br />
(SOEC, Solid Oxide Electrolyser Cell)<br />
SOEC er som udgangspunkt den samme celle som den, der er<br />
udviklet som SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). SOEC er udviklingsmæssigt<br />
ikke så langt som alkalisk og PEM elektrolyse, men<br />
teknologien rummer et spændende potentiale i form af højere<br />
virkningsgrad og mulighed for at udnytte CO2 som råstof til produktion<br />
af syntetisk naturgas.<br />
Tabel 4.1 Karakteristika for de tre elektrolyseteknologier<br />
Temperatur 60-80 ºC standard.<br />
Potentiale for 100-200 ºC<br />
Cellen består af to elektroder på hver side af en tynd ilt-ionledende<br />
elektrolyt. Til både elektroder og elektrolyt anvendes<br />
keramiske materialer – de to porøse elektroder er typisk lavet<br />
af henholdsvis nikkel/YSZ (yttria-stabiliseret zirkonia) og YSZ/<br />
LSM (lanthan-strontium-manganat), mens elektrolytten normalt<br />
består af YSZ. Der arbejdes endvidere med alternative materialer<br />
til begge elektroder med det formål at forbedre ydelse og<br />
holdbarhed.<br />
For at opnå praktiske anlægsstørrelser og en passende arbejds-<br />
spænding stables cellerne mellem elektrisk ledende interconnectplader,<br />
der fremstilles i ferritisk rustfrit stål pålagt en beskyttende<br />
belægning.<br />
Driftstemperaturen er 750–950 °C og det er eftervist, at cellen<br />
kan anvendes til både elektrolyse af vanddamp (H2O) og CO2 med høj produktionshastighed og høj virkningsgrad. Ved kombineret<br />
H2O- og CO2-elektrolyse dannes syntesegas (H2 og CO),<br />
som kan omdannes til syntetiske brændsler ved hjælp af eksisterende<br />
katalyseteknologi.<br />
Af syntetiske brændsler kan nævnes metan (syntetisk naturgas –<br />
SNG), metanol, dimethylether (DME), benzin og diesel.<br />
AEC PEMEC SOEC<br />
60-80 ºC standard.<br />
100-200 ºC udvikles<br />
Tryk 32 bar i stor skala industrianlæg Potentiale for højt tryk (100 - 200<br />
bar) p.g.a. fast elektrolyt<br />
El-virkningsgrad (HHV) 75 -85% ved 0,2 A/cm 2 11) ,<br />
Potentiale for 85 -95%<br />
Udviklingsstade Kommerciel<br />
til industrigasproduktion.<br />
Potentiale for udvikling<br />
til energianlæg.<br />
80 – 85 % ved 1,0 A/cm 2 , 100 %<br />
ved 0,2 A/cm2<br />
Kommerciel<br />
til industrigasproduktion.<br />
Potentiale for udvikling<br />
til energianlæg.<br />
Begyndende kommercielt<br />
(HT-PEMEC på forsøgstadiet)<br />
Pris for anlæg Relativt lav, grundet materialer Sammenlignelig med AEC<br />
(små anlæg)<br />
750-950 ºC<br />
Potentiale for højt tryk (100 bar)<br />
pga. fast elektrolyt<br />
90 % ved 1 – 3 A/cm2 (termoneutral).<br />
Hvis varme tilføres kan<br />
den blive over 100 % af tilført el.<br />
Under udvikling<br />
Langsigtet potentiale for meget<br />
billige anlæg pga. materialer og<br />
høj effekttæthed<br />
Maksimalt demonstreret stakstørrelse 3,4 MW 45 kW 15 kW<br />
Overskudsvarmen fra et elektrolyseanlæg vil kunne udnyttes til opvarmning. Værdien af varmen vil afhænge af anlægsplacering og anlægstemperatur.<br />
11) A/cm 2 er en værdi for strømtætheden<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 13
5. Udviklingspotentialet<br />
for teknologien<br />
AEC<br />
Den alkaliske teknologi anvendes i dag kommercielt udeluk-<br />
kende til produktion af brint til industriformål. Derudover er der<br />
et spirende marked for demonstrationsanlæg som H2Logic og<br />
GreenHydrogen.<strong>dk</strong> har leveret til i <strong>Danmark</strong>. Der er tilbage i tiden<br />
bygget anlæg på over 100 MW i forbindelse med kunstgødningsfabrikker.<br />
Hvis den del af den tilførte elektricitet, der ikke omsættes til<br />
brintproduktion, kan udnyttes til varme, kan den samlede energivirkningsgrad<br />
blive ganske høj, over 95 %.<br />
Også helt små anlæg på et par kW til on site forsyning af små<br />
CHP anlæg og optankning af lette køretøjer, kan af prismæssige<br />
årsager med fordel anvende alkalisk teknologi. Nye stakdesign<br />
især anvendeligt til små anlæg har potentiale for at reducere<br />
prisen på elektrolysestakken med 60–70 %.<br />
I <strong>Danmark</strong> er udviklingen af AEC især koncentreret hos HIRC, Risø<br />
DTU og GreenHydrogen.<strong>dk</strong>.<br />
PEMEC<br />
De eksisterende PEMEC anlæg demonstrerer allerede en del af<br />
potentialet i PEM teknologien i form af kompakte, simple og<br />
sikre anlæg, der producerer tryksat brint. Den slags enheder er<br />
f.eks. under demonstration i Nakskov i forbindelse med 1-2 kW<br />
PEMFC-kraftvarmeenheder. Overskudsvarmen fra sådanne PEMEC<br />
enheder vil umiddelbart kunne bruges sammen med varmen fra<br />
PEMFC-kraftvarmeenhederne.<br />
Der er et udviklingspotentiale, som aktørerne vurderer vil føre til<br />
en generel reduktion af fabrikationsomkostningerne og forøgelse<br />
af virkningsgraden. Udviklingen forventes dels drevet af den rivende<br />
udvikling på PEMFC-området, dels af et selvstændigt udviklingsspor.<br />
Lavere materialeomkostninger kan opnås ved brug<br />
af PEMFC resultater inden for nye elektrolytmembraner samt fra<br />
nye ikke-platin metalholdige katalysatormaterialer, der p.t. er<br />
under udvikling til lavtemperatur PEMEC. Øget virkningsgrad forventes<br />
bl.a. at kunne opnås ved øget driftstemperatur. De gode<br />
resultater med højtemperatur PEMFC lover godt for dette udviklingsspor.<br />
Det forventes ikke på kort sigt, at højtemperaturcellerne<br />
vil blive helt termoneutrale, som det er muligt med SOEC,<br />
men i kraft af, at overskudsvarmen produceres ved temperaturer<br />
mellem 150 og 200 ºC, vil den kunne anvendes til dampfremstilling<br />
eller sendes ud i fjernvarmenettet, hvorved den samlede<br />
virkningsgrad kan blive meget høj. Udvikling af regenerative<br />
brændselsceller, hvor elektrolyse og brændselscellefunktion foregår<br />
i samme celle, har ligeledes potentiale for reduktion af fabrikations-<br />
og driftsomkostninger.<br />
I <strong>Danmark</strong> er udviklingen af PEM elektrolyse især koncentreret<br />
hos DTU Kemi og IRD.<br />
En af aktiviteterne er at udvikle en højtemperatur PEMEC-celle<br />
med udgangspunkt i samme teknologi som for højtemperatur<br />
PEMFC. Det første trin er at vælge et passende bærermateriale til<br />
iltelektroden og vise, at det er stabilt i det relevante interval af<br />
temperatur og cellepotential.<br />
En anden af aktiviteterne er at udvikle lavtemperatur PEMECanlæg<br />
med udgangspunkt i erfaringerne fra PEMFC. I den forbindelse<br />
er der indledt samarbejde med ECN i Holland og canadiske<br />
firmaer, der regnes blandt de førende PEMEC-aktører.<br />
Der er etableret samarbejde indenlands i form af et forsknings-<br />
center (HyCycle) og internationalt i form af dansk deltagelse i et<br />
EU-projekt under 7. rammeprogram (WELTEMP).<br />
SOEC<br />
En af de specifikke fordele ved SOEC sammenlignet med konventionel<br />
elektrolyseteknologi er dens evne til at lave kombineret<br />
H2O- og CO2-elektrolyse og dermed muligheden for at lave billig<br />
syntetisk (ikke-fossilt) brændsel til f.eks. transportsektoren.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>processsen er varmeforbrugende (endoterm). Dette<br />
og den høje driftstemperatur betyder, at der (stort set) ikke produceres<br />
spildvarme, hvilket giver en meget høj virkningsgrad<br />
– betydeligt højere end for lavtemperatur-elektrolyse. Den høje<br />
temperatur bevirker også, at der kan anvendes relativt billige<br />
elektrode- og elektrolytmaterialer (ingen ædelmetaller).<br />
Yderligere forøgelse af virkningsgraden og forbedring af økono-<br />
mien kan opnås ved at tryksætte SOEC. Tryksætningen kan opnås<br />
ved fordampning af højtryks fødevand (flydende) vha. lavkvalitetsvarme<br />
og forventes derfor at være billig sammenlignet med<br />
andre tryksætningsmetoder. Den høje driftstemperatur og et højt<br />
tryk gør det muligt at integrere den videre katalyse af syntesegassen<br />
til syntetisk brændsel i ét system.<br />
Det er vist at ”state-of-the-art” SOFC celler er reversible, og disse<br />
er således et godt udgangspunkt for udviklingen af SOEC-celler.<br />
For en dansk satsning inden for området er det således en fordel,<br />
at udviklingen kan bygge videre på den store kompetence, der<br />
findes i <strong>Danmark</strong> på SOFC-området. Her har der de seneste 20 år<br />
været satset kraftigt såvel inden for grundlæggende F&U som<br />
inden for udvikling af billige produktionsmetoder og moduludvikling,<br />
og der findes i <strong>Danmark</strong> egentlige anlæg til produktion<br />
af celler. Denne F&U-indsats – der i takt med, at teknologien<br />
nærmer sig det kommercielle marked, er øget betragteligt inden<br />
for de seneste 5 år – har i 2008 et omfang af 160 mandår/år (i<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 14
<strong>Danmark</strong>) fordelt på både forskningsinstitutioner (især Risø DTU)<br />
og virksomheder (især Topsoe Fuel Cell A/S).<br />
5.1. Aktører<br />
Det danske miljø inden for elektrolyse har i løbet af det seneste<br />
par år udviklet sig til at bestå af særdeles lovende aktører målt<br />
i forhold til den internationale konkurrence. Risø og Topsoe Fuel<br />
Cell har haft succes med forskningen indenfor SOEC og har opnået<br />
den hidtil højeste ydelse ved høje virkningsgrader, GreenHydrogen.<strong>dk</strong><br />
er blevet etableret som systemudvikler baseret på et<br />
yderst kompetent konsortium af virksomheder og enkeltpersoner,<br />
der er startet med at optimere alkalisk elektrolyse, IRD bygger<br />
udviklingen af PEM elektrolyse på mange års erfaring med<br />
PEM brændselsceller. DTU Kemi bygger udviklingen af HTPEM<br />
Figur 5.1 Delsystemer (værdikæde) for et elektrolysesystem<br />
<strong>Elektrolyse</strong>systemer<br />
Effekt elektronik DC/AC og eventuelt DC/DC<br />
Kølesystemer, evt. varmelager<br />
Vandbehandling<br />
Kompressor<br />
Tørrer<br />
System styring<br />
Kabinet/Chassis/Indpakning<br />
Udvikling og Produktion<br />
<strong>Elektrolyse</strong>modul(er)<br />
<strong>Elektrolyse</strong>modul<br />
Ventiler, sensorer, pumper m.v.<br />
Internt kølesystem<br />
Separator<br />
Oprensning<br />
Iltsystemer<br />
Simpel styring<br />
Udvikling og produktion<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stak(ke)<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stak<br />
Komplet stak PEMEC / SOEC / AEC<br />
med tilslutninger til modul komponenter<br />
Bipolære plader<br />
Forsegling<br />
Endeplader<br />
Øvrige stakkomponenter<br />
F&U på stakniveau<br />
Celler<br />
Celler og MEAer<br />
Elektrolyt<br />
Elektroder<br />
Katalysatorer<br />
F&U på materialeniveau<br />
elektrolyse på mange års erfaring med HT-PEM brændselsceller<br />
og på mange års grundlæggende forskning inden for katalysatormaterialer<br />
til brændsels- og elektrolyseceller.<br />
De danske aktører indenfor elektrolyse dækker samlet i store<br />
træk den komplette værdikæde for et elektrolysesystem. Samtidig<br />
har de danske aktører tilsammen kompetencer inden for<br />
alle teknologier og vil dermed kunne skabe konkurrencedygtige<br />
løsninger på grundlag af det aktuelle teknologiniveau, og de er i<br />
besiddelse af en meget lovende portefølje af nye teknologier og<br />
optimeringsmuligheder, som giver løfter om, at danske aktører<br />
kan erobre en central position inden for elektrolyse.<br />
I nedenstående figur 5.1 er delsystemerne (værdikæden) i et<br />
elektrolysesystem illustreret.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 15
De eksisterende danske hovedaktører kan indplaceres i disse delsystemer<br />
som følger:<br />
Celler:<br />
Risø DTU (SOEC, AEC)<br />
DTU Kemi (PEMEC)<br />
Danish Power Systems (PEMEC)<br />
Topsoe Fuel Cell (SOEC)<br />
IRD (PEMEC)<br />
DTU Institut for Planlægning Innovation og Ledelse (AEC)<br />
FORCE Technology (AEC)<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stak:<br />
Risø DTU (SOEC, AEC)<br />
DTU Kemi (PEMEC)<br />
Topsoe Fuel Cell (SOEC)<br />
IRD (PEMEC)<br />
GreenHydrogen.<strong>dk</strong> (AEC)<br />
HIRC (AEC)<br />
<strong>Elektrolyse</strong>modul:<br />
IRD (PEMEC)<br />
GreenHydrogen.<strong>dk</strong> (AEC)<br />
<strong>Elektrolyse</strong>system:<br />
GreenHydrogen.<strong>dk</strong><br />
H2 Logic<br />
IRD (PEMEC)<br />
Som det fremgår af aktørlisten, er alle aspekter dækket fra tidlig<br />
F&U på universiteter og ved forskningsinstitutioner over industriel<br />
modning af stakke og stakkomponenter til industriel produktion<br />
og markedsføring. En mere udførlig liste over aktører og<br />
mulige aktørers kompetencer er anført i appendiks A side 25.<br />
Bortset fra FORCE Technology er alle aktører i forvejen repræsenteret<br />
inden for brændselscelleklyngen i <strong>Danmark</strong>. Synergierne<br />
mellem udvikling og produktion af elektrolyseceller og<br />
brændselsceller er meget store for PEMEC og SOEC, da der skal<br />
anvendes samme discipliner og samme produktionsapparater.<br />
Synergierne mellem udvikling og markedsføring af elektrolysesystemer<br />
og brændselscellesystemer er ligeledes meget store,<br />
da koncepterne er de samme, og det er samme marked teknologierne<br />
rettes imod.<br />
Klyngen indenfor elektrolyse i <strong>Danmark</strong> er dermed særdeles<br />
stærk og kan med afsættet i brændselscelleteknologien erobre<br />
en internationalt ledende position på kort tid.<br />
5.2. Konkurrenter<br />
4) Rapporten ”Effektiv anvendelse af vin<strong>dk</strong>raftbaseret el i <strong>Danmark</strong>” kan downloades fra www.energinet.<strong>dk</strong>/NR/rdonlyres/<br />
6FB8F834-77C8-4BA7-9AD4-07AFE2A09AB2/0/Samspilmellemvin<strong>dk</strong>raftudvekslingsforbindelservarmpumperogelbilerResume.pdf<br />
Ny elektrolyseteknologi vil konkurrere med eksisterende elektrolyse<br />
samt i markeder, hvor elektrolysen kan substituere anden<br />
teknologi.<br />
Substitution af anden teknologi er en meget kompleks problemstilling,<br />
og en markedsanalyse heraf kræver meget brede kompetencer<br />
og bør udredes i detaljer på uvildig vis. I det følgende<br />
vil der for markeder, hvor elektrolysen kan substituere anden<br />
teknologi, være medtaget en kort oplistning af de væsentligste<br />
konkurrerende teknologier.<br />
Når det gælder regulerkraft/lastudjævning i elsystemet er de<br />
konkurrerende teknologier: trykluftslagring, centrale varmepumper<br />
i fjernvarmenettet, individuelle varmepumper, elbiler, eksport<br />
af el til udlandet og store batterier4) .<br />
Når det gælder brint og syntetiske brændsler til transportsektoren<br />
er de konkurrerende teknologier: fossile brændsler/forbedret<br />
motorteknologi, elbiler, syntetiske brændsler og 2. generations<br />
biobrændstoffer.<br />
Konkurrencen på markedet for elektrolyse er bestemt af, at der<br />
p.t. er to store spillere, Norsk Hydro og Hydrogenics, som tilsammen<br />
sidder på omtrent 70 % af verdensmarkedet. Det aktuelle<br />
marked er karakteriseret ved høj pris baseret på meget traditionel<br />
teknologi med fokus på det industrielle marked. Konkurrencen<br />
defineres derfor nærmere ved konkurrerende klynger, som<br />
på sigt satser på at angribe energimarkedet på tilsvarende vis<br />
som den danske klynge.<br />
Følgende klynger kan i dag defineres,<br />
med nedennævnte karakteristika:<br />
Canada<br />
I Canada har der i mange år eksisteret en klynge med store kompetencer<br />
inden for elektrolyse. Specielt i Toronto-området, hvor<br />
Hydrogenics er den største spiller, men hvor flere små virksomheder<br />
har vist interessante resultater. Kompetencen udspringer<br />
af konventionel alkalisk elektrolyse, men de seneste år har der<br />
også været arbejdet intensivt med PEM-elektrolyse. Miljøet i Toronto<br />
må betegnes som et af verdens stærkeste på såvel konventionel<br />
alkalisk elektrolyse som PEM-elektrolyse.<br />
Italien<br />
I Italien findes en række elektrolysevirksomheder, som har ganske<br />
effektive og billige alkaliske elektrolyseapparater til salg som<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 16
hyldevarer. I Italien koncentrerer kompetencerne sig omkring<br />
konventionel alkalisk elektrolyse bygget af små virksomheder.<br />
Virksomhederne distancerer sig fra øvrige konkurrenter gennem<br />
lave priser på velfungerende systemer.<br />
Tyskland<br />
I Tyskland findes en række elektrolysevirksomheder,<br />
som tilbyder lovende produkter. Virksomhederne<br />
har dog ikke haft kommercielt gennembrud og står<br />
kun for en meget lille del af de leverede elektrolysesystemer<br />
i dag. Der findes dog et forskningsmiljø,<br />
som kan sikre særdeles stor konkurrencedygtighed i<br />
fremtiden. I Tyskland arbejdes der med alle 3 elektrolyse-teknologier<br />
(AEC, PEMEC og SOEC).<br />
Norge<br />
I Norge er kompetencerne koncentreret omkring<br />
Norsk Hydro, der som en af verdensmarkedets to<br />
store spillere har velfungerende alkaliske elektrolysesystemer.<br />
Norsk Hydro arbejder også med PEMelektrolyse,<br />
men har kun begrænset succes i energidemonstrationsmarkedet,<br />
da priserne er høje og<br />
systemerne målrettet industrielle anvendelser.<br />
Canada har et af de stærkeste udviklingsmiljøer i verden inden for PEM og alkalisk<br />
elektrolyse. Foto viser canadisk teknologi i et demonstrationsprojekt på Lolland.<br />
Schweiz<br />
IHT opererer med store AEC anlæg og har mange<br />
års erfaring. IHT ejer produktionsfaciliteterne til<br />
LURGI-elektrolyseanlæggene, men de har ingen Foto: Annette Greenfort/Bass<br />
udviklingsafdeling. Deres forretning koncentrerer<br />
sig om service og vedligeholdelse af eksisterende<br />
anlæg. Dog viser de i dag interesse for udvikling,<br />
da de deltager aktivt in EU-projektet WELTEMP om HT-PEMEC, et I tillæg til de nu kendte klynger vil der over de kommende år<br />
projekt der er koordineret af DTU Kemi.<br />
kunne forventes en række nye konkurrenter, som tager udgangspunkt<br />
i nuværende udviklingsspor inden for PEM og Solid Oxide<br />
Rusland<br />
brændselsceller. Disse vil alle have potentiale for senere at blive<br />
Firmaet Uralhimmash forsynede hele det tidligere Sovjetunionen konkurrenter.<br />
med elektrolyseanlæg til industriel brug. Der har været flere forsøg<br />
fra vesteuropæiske firmaer på at få et samarbejde i gang Ovennævnte klynger og fremtidige mulige konkurrenter er ge-<br />
for at udnytte de billige produktionsmuligheder i Ural, hvor fanerelt baseret på enkeltvirksomheder, og deres nuværende<br />
brikken er placeret. Det er dog endnu ikke lykkedes. Russernes positioner på det industrielle marked eller evt. mulighed for at<br />
udviklingsaktiviteter koncentrerer sig om styring og regulering introducere teknologiske fremskridt er derfor afhængig af udvik-<br />
af anlæggene.<br />
lingspotentialet i den enkelte virksomhed. Kun i Tyskland er der<br />
identificeret en klynge med bredde og teknologiske kompeten-<br />
Kina<br />
cer på niveau med den danske klynge. Dertil kommer, at det<br />
I Kina findes enkelte elektrolysevirksomheder, som laver robust danske partnerskab inden for brint og brændselsceller har vist sig<br />
alkalisk elektrolyse til meget lave priser. Det er ikke opfattelsen, særdeles stærkt, og det har kompetence til at bringe den danske<br />
at der foregår stor udvikling, men med de store og kompetente klynge frem i første række inden for elektrolyse.<br />
universiteter i Kina er det ikke utænkeligt, at der herfra vil blive<br />
satset kraftigt på udvikling i de kommende år.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 17
6. Mål og indsatsområder<br />
Den danske brintstrategi fra juni 2005 påpeger:<br />
”På elproduktionsområdet udgør den stigende mængde af ure-<br />
gulerbar vin<strong>dk</strong>raft en udfordring for energiforsyningen. Anvendelse<br />
af ”overskydende eller billig” vin<strong>dk</strong>raft-el til produktion<br />
af brint ved elektrolyse og lagring af brinten med henblik på<br />
anvendelse i ”dyre” perioder kan være et vigtigt middel til at<br />
sikre stabile markedsforhold og øge fleksibiliteten for elproduktionen.”<br />
Med baggrund i brintstrategien skal indsatsområder, der støttes<br />
af offentlige ordninger til fremme af forskning, udvikling og demonstration<br />
af brintproduktion ved elektrolyse, leve op til følgende<br />
kriterier:<br />
❚ Indsatsen skal føre til afgørende bedre teknologier, eller anderledes<br />
teknologier med et bedre perspektiv i forhold til konkurrerende<br />
elektrolyseteknologier<br />
❚ Indsatsen skal have et betydeligt erhvervspotentiale<br />
❚ Indsatsen skal udnytte synergier og kompetencer i <strong>Danmark</strong><br />
❚ Indsatsen skal have energipolitisk relevans.<br />
Dette styrer hvilke basisteknologier, der kan forventes at modtage<br />
offentlige støttemidler.<br />
Demo-aktiviteter skal indeholde en form for teknologiudvikling<br />
af selve anlæggene og skal læne sig op ad den danske brintstrategi.<br />
Herunder hører således demo-aktiviteter, der fremmer<br />
anvendelse af elektrolyse til lastudjævning med henblik på at<br />
øge fleksibiliteten i elsystemet.<br />
Projekter inden for følgende indsatsområder kan således støttes i<br />
det omfang, de lever op til de ovennævnte kriterier:<br />
❚ Alkalisk elektrolyse<br />
❚ PEM elektrolyse<br />
❚ Solid Oxide elektrolyse<br />
Indsatsområderne bør fokusere på optimering af følgende forhold:<br />
❚ Virkningsgrad<br />
❚ Miljøvenlighed: ingen forurening eller CO2 udledning<br />
❚ Skalerbarhed (modulær opbygning) og driftsikkerhed<br />
❚ Responstid (til brug for lastudjævning i el-systemet)<br />
❚ Effekttæthed<br />
❚ Anlægslevetid<br />
Det vil især være inden for elektrode- og elektrolytudvikling, der<br />
tilsammen udgør elektrolysecellen, at basisteknologierne vil udvikle<br />
sig forskelligt, medens udvikling af gasbehandling, kraftforsyning,<br />
komprimering og oplagring kan ske mere tværgående.<br />
Et test-setup for et PEM EC-anlæg, der afprøves<br />
hos Danish Power Systems i samarbejde med DTU Kemi.<br />
Foto: Danish Power Systems<br />
<strong>Elektrolyse</strong>systemer generelt<br />
<strong>Elektrolyse</strong>systemer kan generelt set betragtes som et produktionsanlæg,<br />
der tilføres råstoffer i form af elektricitet, vand og<br />
evt. CO2 (for SOEC). De produkter, der leveres fra anlægget, er<br />
brint eller syntesegas, ilt, varme samt regulerkraft og reaktiv effekt<br />
til balancering af elnettet. Det er vigtigt at tage alle produkterne<br />
i betragtning, da biprodukterne kan bidrage ganske<br />
betydeligt til driftsøkonomien.<br />
Kraftforsyningen, der forsyner elektrolyseanlægget med elektricitet<br />
fra elnettet, bør kunne belaste nettet såvel kapacitivt som<br />
induktivt og dermed reducere nettabene.<br />
<strong>Brint</strong>en/syntesegassen skal afhængig af anvendelse opfylde vis-<br />
se krav til renhed, vandindhold og tryk. Gasbehandling i form af<br />
rensning og måske komprimering vil være energikrævende. Det<br />
er derfor vigtigt, at der gøres en indsats for at øge effektiviteten.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 18
6.1 Alkalisk elektrolyse (AEC)<br />
Markedet for elektrolyseanlæg til energiformål bliver helt ander-<br />
ledes end det eksisterende industrimarked, fordi brinten på ener-<br />
gimarkedet er slutproduktet. Derfor er det afgørende at kunne<br />
udvikle lavprisanlæg, der kan producere brint til omkostninger,<br />
som sætter brint i stand til at konkurrere på energimarkedet som<br />
en bærer af vedvarende energi. Flere udenlandske forskningsinstitutter<br />
har allerede vist, at det er muligt at opnå virkningsgrader<br />
på 95 %.<br />
På grund af den ringe konkurrence på markedet for industriel<br />
brint er der stort set ikke sket nogen teknologiudvikling af alkaliske<br />
anlæg de seneste 50 år. Det betyder, at der er et ganske<br />
betydeligt latent udviklingspotentiale, som kan videreudvikle<br />
industrigasanlæggene til energianlæg, hvis det kan aktiveres.<br />
F.eks. har DLR i Stuttgart Tyskland for ca.10 år siden vist, at det<br />
er muligt med avancerede elektroder at opnå en effektivitet på<br />
95 %, hvor kommercielle anlæg ligger mellem 75 og 85 %. 95 %<br />
effektivitet er opnået ved en temperatur på 80 °C, hvilket åbner<br />
muligheden for en yderligere effektivitetsforøgelse ved at forøge<br />
driftstemperaturen.<br />
Målsætningen for udvikling af effektivitet, strømtæthed, tempe-<br />
ratur, tryk og stakarkitektur er at kunne forbedre disse, således<br />
Tabel 6.1 Sammenfatning af mål og indsatsområder for AEC-indsatsen<br />
Forskning<br />
Udvikling<br />
at prisen pr. produceret Nm 3 brint reduceres væsentlig. Stakde-<br />
sign skal forbedres mht. flow af elektrolyt, brint og ilt, korro-<br />
sion, lækstrømme, materialeforbrug, stakvolumen, egnethed for<br />
masseproduktion og pris. Det såkaldte non zero gap koncept har<br />
potentiale for at reducere prisen på stakken til en tredjedel af<br />
prisen på traditionelle alkaliske elektrolysestakke.<br />
Jo mere avancerede elektrodebelægningerne bliver jo større<br />
strømtæthed, og ikke mindst jo højere driftstemperaturer jo vanskeligere<br />
er det at opnå levetider på op til 20 år, som kende<br />
tegner konventionelle alkaliske elektrolyseanlæg. Der er således<br />
behov for udvikling og karakterisering af elektrodematerialer til<br />
elektroder, som f.eks. kan fremstilles ved galvanoteknik, pulverteknik<br />
eller keramisk teknik, med levetider på mindst 10 driftsår<br />
ved strømtæthed på op til 400 mA/cm2 , driftstemperatur på op<br />
til 200 ºC og tryk på op til 100 bar. Der er også behov for at optimere<br />
diaphragma-materialet til en levetid på 10 driftsår med<br />
samme driftsparametre som for elektrodematerialerne.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>anlæg skal udvikles til at arbejde ved forhøjet tryk for<br />
derved at reducere eller eliminere behovet for yderligere komprimering<br />
af brinten. Det højere tryk stiller især ekstra krav til<br />
cellerammer, pakninger og endeplader.<br />
2009-2010 2011-2013 2014-2018<br />
Elektroder<br />
Kraftforsyning (AC-DC)<br />
Systemstudier, MW-anlæg<br />
Systemstudier, Mikro-anlæg<br />
Rense og tørre processer<br />
Design af elektrolysestak<br />
Modulopbygning<br />
Demonstration<br />
Stak: Virkningsgrad: 81 %<br />
Cellespænding:1,82 V<br />
Strømtæthed: 100 mA/cm2 Driftstemperatur: 100 °C<br />
Driftstryk: 15 bar<br />
System: Virkningsgrad, el til brint: 67 %<br />
Elforbrug: 5,2 kW/Nm3 Virkningsgrad, el til brint +varme: 82 %<br />
Varme: 0,780 kWh/Nm3 brint<br />
30 kW anlæg<br />
Modulopbygning<br />
Elektroder<br />
Kraftforsyning (AC-DC)<br />
Systemstudier, MW-anlæg<br />
Rense og tørre processer<br />
Design af elektrolysestak<br />
Modulopbygning<br />
Mikro-anlæg<br />
Virkningsgrad: 88 %<br />
Cellespænding:1,68 V<br />
Strømtæthed: 200 mA/cm 2<br />
Driftstemperatur: 100 °C<br />
Driftstryk: 30 bar<br />
Virkningsgrad, el til brint: 80 %<br />
Elforbrug: 4,4 kW/Nm 3<br />
Virkningsgrad, el til brint +varme: 90 %<br />
Varme: 0,453 kWh/Nm 3 brint<br />
30 kW – 300 kW anlæg<br />
Mikro-elektrolyseanlæg (10 kW)<br />
Modulopbygning<br />
Elektroder<br />
Kraftforsyning (AC-DC)<br />
Rense og tørre processer<br />
Design af elektrolysestak<br />
Modulopbygning<br />
MW-anlæg<br />
Virkningsgrad: 95 %<br />
Cellespænding:1,56 V<br />
Strømtæthed: 400 mA/cm 2<br />
Driftstemperatur: 200 °C<br />
Driftstryk: 100 bar<br />
Virkningsgrad, el til brint: 90 %<br />
Elforbrug: 3,9 kW/Nm 3<br />
Virkningsgrad, el til brint +varme: 95 %<br />
Varme: 0,175 kWh/Nm 3 brint<br />
MW-anlæg<br />
Modulopbygning<br />
Reaktionstid: Systemet reagerer øjeblikkelig Systemet reagerer øjeblikkelig Systemet reagerer øjeblikkelig<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 19
6.2 Proton Exchange Membrane elektrolysator (PEMEC)<br />
LT-PEMEC teknologien er som sådan demonstreret i små kommercielle<br />
industrianlæg. Teknologien har et stort potentiale for<br />
forbedringer. Målet for LT-PEMEC udviklingen er at reducere prisen<br />
for PEM-elektrolyseanlæg, så de kan indgå i det danske VEenergisystem<br />
sammen med brændselsceller.<br />
Dette kan opnås gennem en indsats inden for katalysator- og<br />
elektrode-F&U med det mål at reducere og erstatte brugen af<br />
platinmetaller, inden for udvikling af regenerative elektrolyseceller<br />
og udvikling af korrosionstabile gasdiffusionselektroder.<br />
Desuden skal PEMFC fremstillingsprocesserne transformeres til<br />
PEMEC. Udvikling og tilpasning af systemkomponenter (BOP –<br />
balance-of-power) samt effekt- og styringselektronik.<br />
Ved en fokuseret indsats på disse områder vil man på forholdsvis<br />
kort tid kunne skabe grundlaget for en dansk produktion af små<br />
LT-PEM anlæg til integrering sammen med PEM-brændselcelle<br />
kraftvarme-anlæg i forbindelse med vedvarende elproduktion.<br />
Tabel 6.2 Sammenfatning af mål og indsatsområder for PEMEC-indsatsen<br />
Udviklingen af højtemperatur PEMEC er i første omgang materialeudvikling.<br />
Der er tale om en ny anvendelse af højtemperatur<br />
PEM-celler, der hidtil ikke har været rapporteret i den videnskabelige<br />
litteratur. Som nævnt ovenfor skal der findes nye materialer<br />
til visse komponenter – især iltelektroden. Det er også sandsynligt,<br />
at man med fordel kan modificere membranen i forhold<br />
til den, der anvendes til HT-PEMFC.<br />
Efterhånden som materialerne identificeres og optimeres, og de-<br />
res stabilitet kan eftervises, bør der fremstilles mindre stakke til<br />
proof of principles, hvorefter teknologien kan videreudvikles til<br />
demonstrationsniveau og derfra til kommercielle produkter.<br />
De skitserede udviklinger vil være afhængige af en løbende støt-<br />
te til forskning og udvikling. Megen viden kan overføres fra de<br />
analoge brændselsceller, men der er derudover behov for selvstændig<br />
udvikling, p.g.a. de noget anderledes krav til visse af<br />
materialerne og til drift af systemet.<br />
2009-2010 2011-2013 2014-2018<br />
Forskning & udvikling:<br />
Analyse og specifikation af PEM elektrolyse<br />
celler og elektrolysesystem (BOP).<br />
Demonstration:<br />
Polymer elektrolytter<br />
Katalyse- og elektrodematerialer<br />
Elektrodekonfigurationer og deres<br />
processer<br />
MEAer baseret på eksisterende katalysatorer<br />
og elektrolytter.<br />
Korrosionsbestandighed<br />
Stakkomponenter<br />
<strong>Elektrolyse</strong>celler med virkningsgrad<br />
>80 %<br />
<strong>Elektrolyse</strong>celler med driftstryk > 30<br />
bar<br />
Polymer elektrolytter<br />
Katalyse- og elektrodematerialer<br />
Elektrodekonfigurationer og processer<br />
for traditionelle og reversible PEMEC<br />
MEAer baseret på nye katalysatorer og<br />
elektrolytter til traditionelle og reversible<br />
PEMEC<br />
Systemkomponenter (BOP) til traditionelle<br />
og reversible PEMEC<br />
Levetid, degraderingsmekanismer,<br />
kørselsforhold<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stakke med virkningsgrad<br />
>80 %<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stakke med driftstryk ><br />
30 bar<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stakke 1-10 kW<br />
Reversibel PEMEC stak<br />
Polymer elektrolytter<br />
Katalyse- og elektrodematerialer<br />
Elektrodekonfigurationer og processer til<br />
reversible PEMEC<br />
MEAer baseret på nye elektrolytter til<br />
reversible PEMEC<br />
Reversibel PEMEC stak med driftstryk ><br />
100 Bbr<br />
Systemkomponenter (BOP) til højtryks<br />
reversible PEMEC<br />
Levetid, degraderingsmekanismer,<br />
kørselsforhold<br />
Kommercielle PEMEC anlæg 1-10 kW<br />
Reversible PEMEC stakke med virkningsgrad<br />
>70 %<br />
<strong>Elektrolyse</strong>stakke med driftstryk >100<br />
bar<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 20
6.3 Solid Oxide Electrolysator Cell (SOEC)<br />
Der er stor interesse fra såvel dansk som europæisk industri i<br />
denne teknologi, der endnu kun er demonstreret på laboratorieniveau.<br />
Den franske energivirksomhed Areva støtter aktivt<br />
forskning inden for elektrolyse på Risø DTU. Fra dansk side er<br />
Topsoe Fuel Cell A/S og DONG Energy aktive, og forskningen støttes<br />
aktivt af EU, ForskEL og Det Strategiske Forskningsråd. I 2009<br />
er den offentlig støttede F&U-indsats på Risø DTU ca. 10 mandår.<br />
Der er imidlertid behov for en betydelig F&U-indsats, før teknologiens<br />
potentiale kan udnyttes fuldt ud. Specielt er det væsentligt<br />
at forbedre elektrodernes holdbarhed. Følgende er vigtige<br />
indsatsområder:<br />
❚ Præcis identifikation af degraderingsmekanismerne i cellen<br />
❚ Udvikling af celler og celle-stakke med høj holdbarhed<br />
❚ Yderligere undersøgelse af potentialet gennem celle- og staktest<br />
❚ Udvikling af celler og stakke, der tåler tryksat drift, samt konstruktion<br />
af faciliteter til tryksatte celle- og staktest<br />
Tabel 6.3 Sammenfatning af mål og indsatsområder for SOEC-indsatsen<br />
Forskning & udvikling:<br />
Vanddampelektrolyse<br />
❚ Konstruktion af prototype-elektrolysesystemer og demonstration<br />
af disse<br />
❚ Yderligere teknisk og økonomisk modellering bør udføres parallelt<br />
med det eksperimentelle arbejde.<br />
De største udfordringer for teknologien forventes at ligge i udviklingen<br />
af celler/stakke med lang levetid, der endvidere er<br />
robuste og pålidelige. Den høje driftstemperatur stiller krav til<br />
stabiliteten af de materialer, der indgår i celler og stakke såvel<br />
som i systemets hjælpekomponenter, og anvendelsen af keramiske<br />
konstruktionsmaterialer, der er mekanisk sprøde af karakter,<br />
stiller store krav til stak- og moduldesign samt til udvikling af<br />
fremstillingsmetoder med god proceskontrol, så fejlraten kan<br />
minimeres. Teknologien er beskrevet i detaljer i ForskEL-udredningsrapporten<br />
”Pre-Investigation of Water Electrolysis”, og en<br />
række artikler12) .<br />
2009-2010 2011-2013 2014-2018<br />
Elektroder / Celler<br />
- 1,25 A/cm 2<br />
1,3 V<br />
5 atm<br />
850 °C<br />
Degradering: 2%/1000 timer<br />
El-EffektivitetHHV: 114%<br />
El-EffektivitetLHV: 98%<br />
Energi-EffektivitetHHV: 97%<br />
Energi-EffektivitetLHV: 83%<br />
Co-elektrolyse (50 % H2O+50 % CO2): Demonstration:<br />
Elektroder / Celler<br />
- 1,25 A/cm 2<br />
1,4 V<br />
5 atm<br />
850 °C<br />
Degradering: 2 %/1000 timer<br />
El-Effektivitet HHV: 105%<br />
El-Effektivitet LHV: 97%<br />
Energi-Effektivitet HHV: 98%<br />
Energi-Effektivitet LHV: 90%<br />
Stak (1 kW)<br />
- 0.5 A/cm 2<br />
1,4 V<br />
1 atm<br />
850 ºC<br />
Degradering: 2 %/1000 timer<br />
Elektroder / Celler / Stak<br />
- 1,5 A/cm 2<br />
1,3 V<br />
25 atm<br />
850 °C<br />
Degradering: 1%/1000 timer<br />
El-EffektivitetHHV: 114%<br />
El-EffektivitetLHV: 98%<br />
Energi-EffektivitetHHV: 97%<br />
Energi-EffektivitetLHV: 83%<br />
(50 % H2O+50% CO2): Elektroder/Celler / Stak<br />
- 1.5 A/cm 2<br />
1,4 V<br />
25 atm<br />
850 °C<br />
Degradering: 1 %/1000 timer<br />
El-Effektivitet HHV: 105%<br />
El-Effektivitet LHV: 97%<br />
Energi-Effektivitet HHV: 98%<br />
Energi-Effektivitet LHV: 90%<br />
Stak (10 kW)<br />
- 1 A/cm 2<br />
1,4 V<br />
5 atm<br />
850 ºC<br />
Degradering: 2 %/1000 timer<br />
Celler / Stak<br />
- 4 A/cm 2<br />
1,3 V<br />
50 atm<br />
850 °C<br />
Degradering: 0.5 %/1000 timer<br />
El-EffektivitetHHV: 114%<br />
El-EffektivitetLHV: 98%<br />
Energi-EffektivitetHHV: 97%<br />
Energi-EffektivitetLHV: 83%<br />
(50 % H2O+50 % CO2): Celler / Stak / Modul<br />
- 4 A/cm 2<br />
1,4 V<br />
50 atm<br />
850 °C<br />
Degradering: 0,5 %/1000 timer<br />
El-Effektivitet HHV: 105%<br />
El-Effektivitet LHV: 97%<br />
Energi-Effektivitet HHV: 98%<br />
Energi-Effektivitet LHV: 90%<br />
Stak (100 kW)<br />
- 3 A/cm 2<br />
1,4 V<br />
25 atm<br />
850 ºC<br />
Degradering: 1 %/1000 timer<br />
12) Jensen, S.H., Larsen. P.H., Mogensen, M., “Hydrogen and synthetic fuel production from renewable energy sources”, Int. J. Hydrogen Energy, 32, p. 3253-3257<br />
(2007); og 2) A. Hauch, S. D. Ebbesen, S. H. Jensen, M. Mogensen, “Highly efficient high temperature electrolysis” Journal of Materials Chemistry, 18 (2008)<br />
2331-2340.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 21
A SOFC<br />
O2<br />
O 2-<br />
H2O og/eller CO2 H2 og/eller CO<br />
Systemudvikling<br />
På billedet fremviser en medarbejder<br />
hos Topsoe Fuel Cell et eksempel<br />
på en SOEC-elektrolysator.<br />
+<br />
-<br />
Udviklingen af komplette elektrolysesystemer er en vigtig brik i<br />
at bringe konkurrencedygtig elektrolyse på markedet. Omkostningerne<br />
til systemet omkring elektrolysestakken udgør i mange<br />
tilfælde 50-70 % af prisen på det komplette anlæg.<br />
Systemudviklingen og systemopbygningen inden for de tre elek-<br />
trolyseteknologier har mange ligheder, og den kompetence, der<br />
over de kommende år bliver opbygget på de tidlige markeder, vil<br />
derfor komme alle teknologier til gode.<br />
Udviklingen af elektrolysesystemer har generelt ikke været højt<br />
prioriteret inden for forskning og udvikling i denne sektor, og der<br />
ses derfor i dag en lang række meget komplicerede systemer<br />
på markedet. Enkelte virksomheder og forskningsmiljøer har dog<br />
gjort meget ud af systemudviklingen, og der findes derfor en<br />
række interessante koncepter, som kan udnyttes og videreudvikles<br />
med store fordele.<br />
B SOEC<br />
O2<br />
O 2-<br />
Foto: Topsoe Fuel Cell A/S<br />
Figur 6.1 Principskitse af Solid Oxide brændselscelle (A) og Solid Oxide elektrolysator (B)<br />
e - e -<br />
+<br />
-<br />
H2O og/eller CO2 H2 og/eller CO<br />
Principskitse af en reversibel Solid Oxide celle (SOC). En sådan elektrokemisk celle består af en tynd elektrolytbelægning (hvid) med elektroder<br />
på begge sider. Cellen kan enten opereres som en brændselscelle (SOFC -A), der producerer elektricitet på basis af H2 eller CO fra den negative<br />
elektrode og O2 fra den positive elektrode. Når den opereres i den modsatte tilstand som en elektrolysecelle (SOEC - B), bliver elektricitet brugt<br />
med H2 og CO som produkter på basis af H2O og CO2 fra den negative elektrode og O2 fra den positive elektrode. Illustration af Søren Højgaard<br />
Jensen/Risø DTU<br />
Indsatsen inden for systemudvikling går i dag imod at reducere<br />
energitabet ved kompression af brinten, at reducere omkostninger<br />
ved oprensning af procesvand og den producerede brint, at<br />
minimere antallet af pumper, sensorer og ventiler. Herudover er<br />
der fokus på udvikling af simpel og billig styring, modulariserede<br />
koncepter og genvinding af varme, hvor dette er relevant. Alle<br />
disse tiltag er rettet mod omkostningsreduktion, større pålidelighed<br />
og levetid samt højere virkningsgrad gennem bedst mulig<br />
udnyttelse af stakken i den enkelte anvendelse.<br />
Inden for AEC er målet at reducere stak-priser og volumen til<br />
omtrent det halve af nuværende status inden for de kommende<br />
to år. Inden for PEM er målet at udvikle de første testsystemer<br />
inden for de kommende et-to år.<br />
Inden for SOEC er målet at opbygge de første koncept testsystemer<br />
inden for de kommende tre år.<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 22
7. Finansiering<br />
I det følgende afsnit gives en tentativ opgørelse af behovet for<br />
yderligere forsknings-, udviklings- og demonstrationsaktiviteter<br />
målt i mio. DKK/år for årene 2009-2011. Der vil også i perioden<br />
efter 2011 være behov for støttede aktiviteter. Omfanget heraf<br />
vil afhænge af udfaldet af revisionen af elektrolysestrategien ultimo<br />
2011.<br />
AEC<br />
Kontinuerlig forskning og udvikling i mere effektive elektroder,<br />
forbedret stakdesign med højere temperatur og driftstryk, modulær<br />
systemopbygning, samt transformatorløs kraftforsyning m.v.<br />
vil nødvendiggøre nedenstående offentlige støtte for i 2018 at<br />
kunne nå følgende mål:<br />
❚ 90 % system virkningsgrad ved 400 mA/cm2 ❚ 100 Bar tryk<br />
❚ 200 ˚C<br />
❚ Halvering af prisen på elektrolysestak<br />
2009-2011<br />
Aktivitet udvikling, test, demo og fremstillingsmetoder<br />
Yderligere F&U støtte mio. DKK<br />
3<br />
i perioden<br />
PEM<br />
Udvikling af PEM elektrolyseteknologi vil drage fordel af de eksisterende<br />
aktiviteter inden for PEM-brændselsceller. PEM-elektrolyse<br />
aktiviteterne vil være fordelt over materiale og komponent<br />
F&U, celle og stakudvikling, systemudvikling og demonstration.<br />
Ved PEM elektrolyse forstås i udgangspunkt såvel LT-PEM som HT-<br />
PEM. Idet målene for HT-PEM ikke er kvantificeret i denne strategi<br />
bør kun en lille del af det ønskede beløb tilfalde området HT-PEM.<br />
❚ Indsatsen kan gøre <strong>Danmark</strong> internationalt førende indenfor<br />
PEM-elektrolyse<br />
❚ Danne grundlag for en produktion af elektrolyseceller, -stakke<br />
og -systemer<br />
❚ Implementere PEM-elektrolyse i mikro-kraftvarmeanlæg<br />
❚ Reducere elektrolyseanlægspriserne gennem masseproduktion<br />
2009-2011<br />
Aktivitet Udvikling af materialer og fremstillingsprocesser,<br />
test<br />
Yderligere F&U støtte mio. DKK<br />
12,5<br />
i perioden<br />
SOEC<br />
Det er visionen at skabe en elektrolyseteknologi, der omkostningseffektivt<br />
kan skaleres til industriel størrelse, så teknologien<br />
kan benyttes som en betydende og effektiv byggesten i omlægningen<br />
af den danske energisektor med indfasning af stadig<br />
større mængder fluktuerende produktion fra vedvarende energianlæg<br />
og med deraf følgende reduktion af CO2-emission. Denne<br />
omlægning forudsættes at kunne foregå inden for rammerne af<br />
den eksisterende infrastruktur.<br />
I perioden 2009-2011 forventer aktørerne at kunne løse aktuelle<br />
problemer omkring levetid, at have valgt velegnede materialer<br />
og fremstillingsmetoder samt fastlagt stakdesign, som giver en<br />
forventet pris, der er konkurrencedygtig for et kommercielt produkt.<br />
Demonstrationsfasen, hvor anlæg med acceptabel lav degraderingsrate<br />
er demonstreret henover en periode på et par år,<br />
vil følge efter 2011.<br />
Der er gode chancer for, at demonstrationsfasen for SOEC kan blive<br />
billigere og hurtigere end sædvanligt for den slags produkter,<br />
idet TOFC sandsynligvis råder over et kommercielt produktionsapparat<br />
til fremstilling af celler (SOEC og SOFC forventes at ligne<br />
hinanden). Der er således en god chance for, at ”first mover” i<br />
SOEC-feltet kan blive dansk.<br />
Som følge af den højere elvirkningsgrad og muligheden for at<br />
konvertere CO2 til syntesegas forventes SOEC at være særlig attraktiv<br />
til centrale og større decentrale anlæg fra i størrelsesordnen<br />
100 kW og større.<br />
TOFC bruger pt et-to mandår/år på elektrolyse, hvilket skal ses<br />
i sammenhæng med den meget betydelige brændselscelleindsats.<br />
Den offentligt støttede indsats (primært hos Risø DTU) forventes<br />
i 2009 at ligge på knap 10 mandår/år (Se projektlisten<br />
side 24). Fremover vil indsatsen skulle intensiveres, både inden<br />
for mandskab og udstyr. Skulle elektrolyseindsatsen stå alene<br />
(og ikke lægge sig oven på den store indsats inden for SOFC)<br />
ville omkostningerne skulle være langt større.<br />
2009-2011<br />
Aktivitet Eksplorativ<br />
Yderligere F&U støtte mio. DKK<br />
20<br />
i perioden<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 23
8. Aktuelle danske F & U-projekter<br />
inden for elektrolyse<br />
Aktuelle forskningsprojekter<br />
inden for elektrolyse m.v.<br />
ForskEL-6287:<br />
Indledende undersøgelse af elektrolyse<br />
Projektleder: DTU Kemi. Projektet blev afsluttet i 2007, bl.a. med<br />
en teknisk redegørelse for elektrolyseteknologierne alkalisk, PEM<br />
og SOEC og en markedsanalyse af store elektrolyseanlæg.<br />
ENS-33032-0144:<br />
Demonstratorium – <strong>Brint</strong>samfundet I Nakskov<br />
Projektleder: IRD Fuel Cells. Projektet blev afsluttet i 2007, efter<br />
at der var etableret to fuldautomatiske brintbaserede kraftvarmeenheder<br />
på hhv. 2,5 og 7,5 kW med bl.a. elektrolyseenheder<br />
til brint- og iltproduktion.<br />
DSF-2104-04-0011:<br />
New electrode materials for hydrogen production<br />
Projektleder: DTU Fysik. Projektet blev afsluttet I 2008 efter at<br />
have påvist, at billige uorganiske materialer gennem yderligere<br />
udvikling formentlig kan blive effektive alternativer til platin som<br />
PEM-elektrodemateriale.<br />
DSF-2104-06-0011:<br />
Strategic Electrochemistry Research Center (SERC)<br />
Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi<br />
v/Risø DTU. Projektet finansierer et bredt sammensat center, der<br />
frem til udgangen af 2012 skal fokusere på fundamentale aspekter<br />
af elektrokemiske celler til brug i bl.a. elektrolyseanlæg.<br />
DSF-2104-07-0041:<br />
Center for bæredygtigt brintkredsløb (HyCycle)<br />
Projektleder: DTU Kemi. Projektet, som ventes afsluttet i 2010,<br />
vil forbedre fremstilling af brint ved at effektivisere spaltning af<br />
vand ved elektrolyse eller fotokatalyse.<br />
DSF-2104-07-0058:<br />
Højtemperatur proton- og blandede ledere til brug<br />
i brændselsceller og H2 separationsmembraner<br />
Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi<br />
v/Risø DTU. Projektet, der er et nordisk-tysk N-INNER samarbejdsprojekt,<br />
som forventes afsluttet i 2010, vil udvikle proton<br />
ledende og blandede proton-elektron ledende materialer.<br />
ForskEL-10045:<br />
Durable solid oxide electrolysis cells and stacks<br />
Projektleder: Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi<br />
v/Risø DTU. I projektet, der forventes afsluttet i 2010, udvikles<br />
omkostningseffektiv højtemperaturelektrolyse baseret på SOEC.<br />
ForskEL-10280:<br />
IEA Hydrogen Implementing Agreement Task 22 og Task 24<br />
Projektleder: Afdelingen for materialeforskning v/Risø DTU. I projektet,<br />
der afsluttes i 2010, samordnes dansk forskning i brint og<br />
elektrolyse med tilsvarende internationale aktiviteter for at opnå<br />
mest mulig synergi.<br />
ENS-63011-0200:<br />
2. generations alkalisk elektrolyse<br />
Projektleder: HIRC. I projektet, der ventes afsluttet med udgangen<br />
af 2011, udvikles 2. generations alkalisk elektrolyseanlæg<br />
gennem forskning i effektive elektroder fremstillet ved galvanoteknik,<br />
plasmasprøjtning og keramisk teknologi.<br />
EU-elektrolyseprojekter<br />
med væsentlig dansk deltagelse:<br />
WELTEMP:<br />
Water Electorlysis at Elevated Temperatures<br />
Projektleder: DTU Kemi. Øvrige danske deltagere Tantalum Technologies<br />
A/S og Danish Power Systems A/S. Desuden tjekkiske,<br />
norske, schweiziske og italienske partnere. Projektet er bevilget<br />
under EU’s 7. rammeprogram og løber til udgangen af 2010. Dets<br />
strategiske mål er at udvikle materialer, der gør det muligt for<br />
PEM-elektrolysatorer at operere ved højere temperaturer, dvs.<br />
højere end 120 °C.<br />
www.weltemp.eu<br />
Relhy:<br />
Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks<br />
for Efficient and Reliable Hydrogen Production<br />
Fransk projektleder med Afdelingen for brændselsceller og faststofkemi<br />
v/Risø DTU og Topsoe Fuel Cell A/S som danske deltagere.<br />
Øvrige deltagere er tyske, britiske, hollandske og franske.<br />
Projektet er bevilget under EU’s 7. rammeprogram og løber til<br />
2012. Formålet er at udvikle nye eller optimerede materialer<br />
med lavere omkostninger for Solid Oxide Electrolysis celler og<br />
udvikle innovative stakdesigns med længere levetider.<br />
www.relhy.eu<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 24
Appendix A: Aktører inden for<br />
elektrolyseteknologi i <strong>Danmark</strong><br />
Aktører i alfabetisk orden<br />
AAU<br />
Institut for Energiteknologi (IET). Udvikling af effektelektronik<br />
samt systemdesign og modellering af brændselscellesystemer.<br />
IET har en indsats på modellering af SOEC elektrolyse systemer.<br />
AU-HIH<br />
Århus Universitet - Handels- og Ingeniørhøjskolen i Herning har<br />
sammen med HIRC gennemført en række studieprojekter omhandlende<br />
alkalisk elektrolyse. Kemisk Institut i Århus arbejder<br />
med udvikling af elektroder med katalytiske overflader.<br />
Danish Power Systems<br />
Er i tæt samarbejde med DTU Kemi om udvikling af HT-PEM elektrolyse.<br />
Deltager i det nationale Center HyCycle.<br />
DTU Fysik<br />
Center for Individiual Nanoparticle Functionality og Center for<br />
Atomic-scale Materials Design er blandt verdens førende centre<br />
inden for forskning i katalysatorer og deres virkemåde. Forsker i<br />
både elektrolysator- og brændselscellekatalysatorer, bl.a. ikkeplatin<br />
baserede katalysatorer. Deltager i det nationale center<br />
HyCycle.<br />
DTU Kemi<br />
Har tidligere arbejdet med det alkaliske system og koordineret<br />
et EU-projekt om en batteri/brændselscelle-hybrid med en metalhydridelektrode<br />
og en oxygenelektrode. I den forbindelse blev<br />
der fremstillet oxidbaserede katalysatorer til oxygen processen.<br />
I dag koordinerer DTU Kemi et EU projekt og et nationalt projekt,<br />
begge om HT-PEMEC.<br />
DTU Management<br />
Instituttet har stor ekspertise inden for galvanoteknik, som bl.a.<br />
anvendes til udvikling af effektive elektroder til alkaliske elektrolyseanlæg.<br />
FORCE Technology<br />
Virksomheden har stor ekspertise inden for korrosionsbeskyttelse<br />
og plasmasprøjtning, som bl.a. anvendes til udvikling af effektive<br />
elektroder til alkaliske elektrolyseanlæg.<br />
GreenHydrogen.<strong>dk</strong><br />
Med backup fra HIRC har virksomhederne Dantherm Power, Hollensen<br />
Energy, Strandmøllen Industrigas og Nordtec Optomatic<br />
stiftet selskabet GreenHydrogen.<strong>dk</strong>. Selskabet udvikler og producerer<br />
sit eget elektrolyseanlæg inkl. stakken og elektroder<br />
HIRC<br />
Har siden 2005 været meget aktiv omkring undervisning, erhvervsudvikling<br />
og projektudvikling inden for alkalisk elektrolyse.<br />
I forbindelse med EU projektet ” Regional Markets of RES-<br />
Fuel Cell Systems for Households” og <strong>Brint</strong>Demonstratoriet er der<br />
udviklet en 2 kW alkalisk elektrolysestak.<br />
H2 Logic A/S<br />
H2 Logic A/S udvikler hydrogen infrastruktur løsninger bl.a. til<br />
optankning af brintbrændstof på forskellige køretøjer. Løsningerne<br />
indebærer også brintproduktionsanlæg baseret på AEC og<br />
PEM elektrolyse.<br />
H2 Logic har siden 2006 leveret mere end 10 brint tankstationer i<br />
<strong>Danmark</strong>, foruden leverance af en række hydrogen produktionsanlæg<br />
baseret på elektrolyse.<br />
HyCycle<br />
Centret er et samarbejdsprojekt mellem universiteter og virksomheder,<br />
der har som målsætning at optimere PEM-elektrolysatorer<br />
og udvikle fotokatalyse. Centret er støttet af Det Strategiske<br />
Forskningsråds programkomite for bæredygtig energi og<br />
miljø og koordineres af DTU Kemi. De øvrige universitetspartnere<br />
er to forskningscentre under DTU Fysik (CINF og CAMD) samt<br />
Institut for Fysik og Kemi v/SDU og Institut for Kemi-, Bio- og<br />
Miljøteknologi v/SDU. De industrielle partnere er IRD Fuel Cells,<br />
Danish Power Systems og Danfoss-datterselskabet Tantalum<br />
Technologies.<br />
HyFC Academy<br />
Forskerskolen Hydrogen and Fuel Cell Academy på Aalborg Universitet<br />
(AAU) er oprettet i et samarbejde mellem Institut for<br />
Energiteknologi v/AAU, DTU Kemi og Afdelingen for brændselsceller<br />
og faststofkemi v/Risø DTU. HyFC Academy uddanner forskere<br />
inden for bl.a. HT-PEM elektrolysatorer og SOEC-elektrolysatorer<br />
samt SOEC-konvertering til syntetiske brændsler. En række<br />
industrielle partnere samarbejder med HyFC Academy: APC Denmark,<br />
Danfoss, Dantherm Power, DONG Energy, IRD Fuel Cells og<br />
Topsoe Fuel Cell.<br />
IRD Fuel Cells A/S<br />
IRD udvikler og producerer celler, stakke og moduler til PEMbrændselsceller<br />
samt komplette PEM-brændselscellesystemer og<br />
har som sådan opbygget en betydelig viden og erfaring omkring<br />
PEM-teknologi. IRD deltager i R&D projekter omkring PEM-elektrolyse.<br />
IRD vil på kort sigt udvikle og producere PEM-elektrolysatorer<br />
til integrering med IRDs PEM-brændselscelle-systemer<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 25
Risø DTU (R&D)<br />
Ved Risø DTU, National Laboratoriet for Bæredygtig Energi, har<br />
der gennem de seneste 15 år kørt betydelige F&U programmer<br />
inden for fastoxid brændselsceller (SOFC). I 2008 andrager denne<br />
indsats godt 60 mandår. Risø er blandt verdens førende inden for<br />
dette felt. De seneste godt 5 år har der tillige kørt et udviklingsspor<br />
på fastoxid elektrolyse.<br />
Foto: Poul Møller/Topsoe Fuel Cell<br />
Risø-DTU’s store ekspertise inden for materialer og keramiske<br />
processer til solid oxide brændselsceller vil også blive anvendt til<br />
fremstilling af keramiske elektroder til alkalisk elektrolyse.<br />
SDU, Institut for Kemi, Bio- og Miljøteknologi<br />
SDU har gennem mere end 25 år forsket inden for elektrokemi<br />
til brændselsceller og batterier, specielt er elektrolyt og elektrodematerialer<br />
til PEM-brændselsceller og til SOFC-brændselsceller<br />
undersøgt. Deltager i det nationale center HyCycle.<br />
Strandmølle Industrigas<br />
Strandmøllen har igennem ca. 10 år produceret brint på et 800<br />
kW alkalisk elektrolyseanlæg og har desuden ekspertise inden<br />
for udvikling og opbygning af industrigassystemer.<br />
Topsoe Fuel Cell (RD&D)<br />
Topsoe Fuel Cell A/S (TOFC) har gennem de seneste 8 år udført et<br />
meget betydeligt arbejde inden for forskning, udvikling og kom-<br />
Topsoe Fuel Cells nye produktionsanlæg til SOFC-brændselsceller<br />
skaber meget lovende udsigter for en konkurrencedygtig produktionspris<br />
for SOEC-elektrolyseanlæg.<br />
mercialisering af fastoxid brændselsceller i samarbejde med Risø<br />
DTU. I 2008 passerede TOFC’s indsats 100 mandår/år. TOFC ser<br />
et potentiale i SOEC teknologien, der på sigt kan overstige SOFC<br />
potentialet. TOFC deltager i SOEC R&D projekter både i <strong>Danmark</strong><br />
og i EU regi.<br />
Potentielle aktører<br />
Der vil generelt være et stort potentiale for højt specialiserede<br />
underleverandører. Som eksempel kan nævnes udskæring af<br />
komponenter (Lasertech). Endelig er der mulige danske aktører<br />
på anlægskomponenter (Danfoss) og systemintegration (Danfoss,<br />
Dantherm).<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 26
Appendix B: Virkningsgrader,<br />
øvre og nedre brændværdi<br />
Når man taler om virkningsgrader i forbindelse med energikonvertering,<br />
menes der helt generelt, at virkningsgraden er outputenergi<br />
divideret med inputenergi.<br />
For elektrolyseceller er input den elektriske energi og output den<br />
kemiske energi af brændslet (oftest brint). Den elektriske energi<br />
er effekt gange tid, d.v.s. produktet af spænding, strøm og tid.<br />
Brændværdier<br />
Desværre er der ingen enighed om en fast måde at definere<br />
et brændsels energiindhold på. Man anvender gerne enten<br />
den øvre eller den nedre brændværdi. Brændværdien er den<br />
mængde varme, der udvikles, hvis brændslet brændes (reagerer<br />
med oxygen). En del af denne varme er i praksis indeholdt<br />
i forbrændingsgassen, der er varmet op, så for at få et entydigt<br />
mål defineres brændværdien sådan, at både brændsel, oxygen<br />
og forbrændingsprodukter skal være ved standardtemperaturen,<br />
nemlig 25 °C og ved standardtrykket 1 bar.<br />
For alle brændsler, der indeholder hydrogen dannes vand ved for-<br />
brænding. Det påvirker varmeudviklingen, om vandet er konden-<br />
seret eller på dampform. Forskellen er fordampningsvarmen, der<br />
er 44 kJ/mol for brint (H2). Den øvre brændværdi (higher heating<br />
value, HHV) forudsætter, at det dannede vand er kondenseret,<br />
mens den nedre brændværdi (lower heating value, LHV) forudsætter,<br />
at vandet er på dampform. Værdierne for brint ses i tabel B.1.<br />
Der er forskellige meninger om, hvilken brændværdi man skal<br />
anvende. Man kan sige, at den øvre er mest fundamental, da alle<br />
stoffer er i deres stabile standardtilstand før og efter processen.<br />
Men den nedre brændværdi anvendes ofte, fordi forbrændingsgasserne<br />
i mange tilfælde ledes bort uden kondensation. Det er<br />
klart, at tallet for virkningsgraden for en elektrolysecelle bliver<br />
størst ved anvendelse af den øvre brændværdi, da brændslet<br />
(tælleren i divisionen) tillægges størst værdi.<br />
Fri energi og varme<br />
Termodynamikken indebærer, at ved en given forbrændingsproces<br />
kan der maksimalt udvindes en bestemt portion nyttear-<br />
Tabel B.1 Brændværdi og fri energi for brint<br />
bejde, dvs. mekanis- eller elektrisk energi. Dette kaldes den frie<br />
energi og er i de fleste tilfælde lidt mindre end brændværdien<br />
(Her gør det ligeledes en forskel, om vandet kondeseres, se tabel<br />
B.1). Den frie energi angiver den maksimale elektriske energi,<br />
en brændselscelle teoretisk kan producere (tabsfrit). Dette betyder,<br />
at en brintdrevet brændselscelle maksimalt kan have en<br />
elvirkningsgrad på den frie energi divideret med brændværdien.<br />
For en elektrolysecelle, der har den omvendte proces, findes<br />
den maksimale virkningsgrad ved at bytte tæller og nævner i<br />
divisionen, hvorved virkningsgraden bliver over 100 %. Dette<br />
forudsætter, at energibidraget over 100 % tilføres som varme.<br />
Dette er ligeledes modsat af, at man fjerner et varmebidrag fra<br />
en brændselscelle (op til de 100 %).<br />
Virkelige celler<br />
Hidtil er processerne forudsat tabsfrie. I virkelige celler er der<br />
tab, der for elektrolysecellen medfører, at der skal tilføres ekstra<br />
elektrisk energi. D.v.s., at strømmen må tilføres ved en højere<br />
spænding. Dette energioverskud omdannes til varme. I en<br />
brændselscelle medfører tab, at strømmen leveres ved en lavere<br />
spænding, og her omdannes energiforskellen ligeledes til varme.<br />
Cellespændingen er således et direkte mål for den elektriske<br />
virkningsgrad ved omsætningen i cellen. Eksakt 100 % el-virkningsgrad<br />
baseret på den øvre brændværdi ville svare til en cellespænding<br />
på 1,48 V. Selvom dette kun er praktisk mulig for<br />
elektrolyseceller, gælder tallet også for brændselsceller (som en<br />
hypotetisk værdi til brug ved beregninger). Tilsvarende vil 100<br />
% elvirkningsgrad baseret på den nedre brændværdi svare til en<br />
cellespænding på 1,25 V.<br />
Det er nu simpelt at bestemme en celles el-virkningsgrad ud<br />
fra dens cellespænding. En elektrolysecelle, der producerer ved<br />
2,0 V, har virkningsgraden 1,48/2,0 = 74 % baseret på HHV og<br />
1,25/2,0 = 63 % baseret på LHV.<br />
Omregning mellem de to effektiviteter kan ske ved at gange/<br />
dividere med 1,184.<br />
<strong>Brint</strong> (25°C, 1 bar) Øvre brændværdi (HHV) Nedre brændværdi (LHV)<br />
Forbrændingsvarme (ΔH) - 285,8 kJ/mol H 2 - 241,8 kJ/mol H 2<br />
Heraf fri energi (ΔG) - 237,1 kJ/mol H2 - 228,6 kJ/mol H2 Maksimal el-virkningsgrad (brændselscelle) 83 % 95 %<br />
Maksimal el-virkningsgrad (elektrolysecelle) 121 % 106 %<br />
Cellespænding ved 100 % elvirkningsgrad<br />
(konverteringseffektivitet)<br />
1,48 V 1,25 V<br />
Note: ved beregning af virkningsgrader ses bort fra fortegnet på energierne, da de udelukkende er fastlagt efter, om energien forbruges eller dannes ved processen<br />
<strong>Elektrolyse</strong>strategi 27