25.02.2013 Views

Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk

Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk

Brint - Elektrolyse i Danmark - Energinet.dk

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!