Brenselcelleteknologi Ulike teknologier, prosjekter og kostnader

Transkript

1 FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI Semesteroppgave i fag TPG 4140 Naturgass Brenselcelleteknologi Ulike teknologier, prosjekter og kostnader Jon Thomas Hogstad Christian Reite Halvor R. Thune Trondheim November 2003

2 Sammendrag Brenselcelleteknologi er et forskningsområde i kontinuerlig utvikling og mye av arbeidet ligger i forbedring av eksisterende teknologier og løsninger. Viktige faktorer her er materialteknologiske aspekter, effektivitet, operasjonstemperatur og brenselsammensetninger. Av vedlegg 1 ser man at de fleste virkningsgradene ligger mellom 50 og 60 %. Ved bruk av høytemperatur brenselceller kan virkningsgraden komme opp mot 85 % i kombinasjon med andre termiske kraftprosesser. Høytemperaturcellene har mye større fleksibilitet i brenselutvalget i motsetning til lavtemperatur. Dette fører da til at høytemperatur er mer anvendlige da de eksempelvis ikke trenger rent hydrogen, men kan bruke naturgass direkte. Skiller man mellom lav- og høytemperaturcellene, ser man i vedlegg 1 at det er lavtemperaturcellene som er mest aktuelle for fremdriftsformål. Dette har blant annet sin bakgrunn i at disse cellene har mye bedre egenskaper når det gjelder rask oppstart og nedkjøring. En spennende utvikling er at store selskap nå satser betraktelige pengesummer på bruk av forskjellige typer brenselceller i sine pilotprosjekter. Et eksempel på dette er et pilotprosjekt i kollnes næringspark der Shell sammen med Siemens Westinghouse Power Corporation skal totalforsyne et landbasert oppdrettsanlegg med elektrisitet, varme og CO 2 til økt algevekst. Slike prosjekt er ofte forbundet med finansiell risiko, men lukrative sett i forhold til teknologisk utvikling. I den siste delen har vi sett på bruk av brenselceller i transportsektoren. Der kommer brenselcellen godt ut med tanke på den høye virkningsgraden og de lave utslippene, men sliter på flere områder for å slå igjennom som et kommersielt produkt. De største utfordringen på dette området er lagring av brenselet og kostnadene på brensel og motor. Uten subsidier til denne teknologien, eventuelt større miljø avgifter på de fossile brenselene, vil det ta lang tid før dette blir lønnsomt og en masseproduksjon kommer i gang. 1

3 Innholdsfortegnelse side Innledning 3 Beskrivelse av hvordan en brenselcelle fungerer. 4 Ulike typer brenselceller som finnes på markedet i dag.. 6 Alkaliske (AFC)... 6 Protonveksling Membran (PEMFC) 7 Direkte Metanol (DMFC). 8 Fosforsyre (PAFC) Karbonatsmelte (MCFC).. 11 Fastoksid (SOFC). 12 Regenerative (RFC). 14 Pilotprosjekt med naturgass og fisk. 16 Busstransport, CH 4 -forbrenningsmotor og brenselceller 17 Miljø og kostnader 19 Kildehenvisninger. 21 Vedlegg 23 2

4 Innledning På bakgrunn av den økende nasjonale betydningen av naturgass, og den kompetanse som er bygget opp, ligger forholdene til rette for satsing på naturgass som et viktig innovasjonsområde med potensiale for verdiskapning. FoU knyttet til slik satsing vil være motivert av en rekke utviklingstrekk som i korthet dreier seg om miljøproblemer som resultat av forbrenning av fossile brensler, at de største gassreservene ligger forholdsvis langt fra markedene, at energiproduksjon basert på hydrogen og brenselceller kommer nærmere og at gass kan danne utgangspunkt for hittil ukjente industrielle prosesser som f.eks. bioprotein. [Henriksen-utvalget: Ta naturgassen i bruk ] I denne oppgaven beskriver vi eksisterende breselcelleteknologi og utviklingen som pågår nå. Hvilke fordeler representerer celleteknologien og hvilke kostnader forbindes med bruken av teknologien. Av omfangsmessige årsaker har vi valgt å legge størst vekt på bruk av brenselceller der naturgass direkte eller indirekte brukes som energibærer; direkte metanol (DMFC) og fastoksid brenselceller (SOFC). Vi har også beskrevet protonveksling membran brenselceller (PEMFC) også, da DMFC er en direkte undertype av denne typen. Det blir gitt en kort beskrivelse av et pilotprosjekt som er under oppbygging i Kollsnes Næringspark utenfor Bergen. Her skal naturgass og brenselceller brukes til å totalforsyne et fiskeoppdrettsanlegg med varme, elektrisitet og karbondioksid. Vi tar også for oss bruk av naturgass som energibærer i transportsektoren og bruk av forbrenningsmotor kontra brenselceller ved bruk av naturgass i fremdriftsystemet til busser. Vi ser til slutt på hvilke miljøkonsekvenser som medfølger ved bruk av slik energi, og hvilke kostnader det innebærer. 3

5 Beskrivelse av hvordan en brenselcelle fungerer Brenselceller omfatter ulike tekniske løsninger som har det til felles at drivstoffet omformes til energi gjennom en elektrokjemisk prosess, og ikke ved tradisjonell forbrenning som i bensin- og dieselmotoren. Alle typer brenselceller baseres på en reaksjon mellom oksygen og hydrogen. Oksygen tas fra luften, mens hydrogenet kan bringes til brenselcellen i ulike former; som komprimert gass, sterkt nedkjølt til flytende form, lagret i avanserte nanofibre eller kjemisk lagret i hydrokarboner eller ammoniakk. Etter en eventuell fordampning mates gassene inn i egne kammere mot elektrodene (anode og katode) og en elektrolytt er plassert mellom elektrodene. Elektrodene må være porøse slik at gassene kan vandre inn mot elektrolytten. I redoksreaksjonen (anoden) vil hydrogen bli oksidert og frigi elektroner, mens oksygen blir redusert og tar opp elektroner (katoden). Elektrodene må ha et ledende materiale og i de fleste tilfellene være dekket av en katalysator for at reaksjonene skal foregå i høy nok hastighet. Ved anoden vil hydrogen dissosiere og ionisere. Den elektriske strømmen som kan utnyttes, skapes idet elektronene vandrer fra oksidant til reduktant. Det må transporteres ioner i elektrolytten for å få en sluttet strømkrets. Brenselceller deles inn i tre hovedtyper; direkte, indirekte og regenererte. I en direkte brenselcelle blir reaksjonsproduktene i cellen ledet bort, mens i en regenerert blir noen av komponentene i produktgassene skilt ut og benyttet om igjen. I indirekte brenselceller blir hydrogenet omdannet fra andre hydrogenrike forbindelser i en konverter før gassen blir ført til brenselcellen. Denne siste typen brenselceller vil gi utslipp av gasser som CO 2, CO og SO 2. Oppbygning av brenselceller er forskjellig. Dette avhenger av hvilke elektroder, katalysator og elektrodemateriale som benyttes og ikke minst utfra hvilken elektrolytt som er valgt. Valg av elektrodemateriale og elektrolytt avgjør også hvilke temperatur og trykk brenselcellen opererer under. Cellens effekt varieres ved at man endrer cellespenningen fordi produktet av strøm og spenning gir cellens effekt. For å få spenninger som er egnet for anvendelse seriekobles 4

6 mange celler i en brenselcellestakk og kan bestå av opp til flere hundre enkeltceller. Det er arealet av cellene bestemmer strømmen. Under drift er cellespenningen for en enkeltcelle vanligvis ca 0,7 Volt og strømtettheten 0,5 A/cm 2. [15] For å få en strøm på Ampere strøm vil arealet typisk bli cm². Prinsipp-skisse av en enkelt brenselcelle, Skjematisk brenselcellestakk Figur 1 Figur 2 Reaksjonene som foregår i cellen: Anode: H 2 + 2OH - 2H 2 O + 2e - Katode: ½O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - Total : H 2 + ½O 2 H 2 O En typisk cellestakk Kilde: Fornybar alternativ energi 5

7 Ulike typer brenselceller som finnes på markedet i dag Det finnes en rekke ulike typer brenselceller. Det er i hovedsak to måter å skille mellom dem: 1. Lavtemperatur eller høytemperatur brenselceller. 2. Hva slags elektrolytt som benyttes. Et unntak er for direkte metanol (DMFC), hvor metanol inngår direkte i anodereaksjonen. Elektrolytten for denne cellen er ikke bestemmende for typen. Lavtemperatur brenselceller har driftstemperatur under ca. 200 C og inkluderer alkalisk brenselcelle (AFC), fosforsyre brenselcelle (PAFC), protonveksling membran (PEMFC) og DMFC. [18] Høytemperatur brenselceller har driftstemperatur i området C. To typer er utviklet; smeltet karbonat brenselcelle (MCFC) og fast oksid brenselcelle (SOFC). En oversikt over de ulike typene brenselceller med tilhørede data er vist i Vedlegg 1. Alkaliske (AFC) Alkaliske brenselceller ble først utviklet på 1950-tallet og er en etablert teknologi innen romfart. Deriblant Apollo programmet hvor de skaffet både strøm og drikkevann. Inntil nylig har AFC vært for kostbare for kommersielt bruk, men flere selskap ser på ulike måter for å redusere kostnadene og forbedre teknologien. Sentrale utviklere av alkaliske brenselceller har vært F.T. Bacon, Energy Conversions, Pratt & Whitney og Zetek (tidligere Zevco). Sistnevnte leverte brenselceller blant annet til en hydrogendrevet London-taxi i 1999 og en passasjerbåt i Bonn før selskapet ble nedlagt. [2] Alkalisk brenselcelle har høyest energiomdanningseffektivitet av alle brenselcelletyper (50-60%). Den er imidlertid avhengig av svært rene gasser, og dette er en viktig barriere for denne typen brenselceller. Med kaliumhydroksid (KOH) som elektrolytt får cellen høy spenning under nullbelastning, og dette har den ulempen at det da dannes karbonater fra reaksjonen med CO 2. Karbonater er ødeleggende for elektrolytten og dette gir brenselcellen svært kort levetid. For å øke levetiden på denne typen brenselcelle kreves det at elektrolytten må være i flytende form, for ved regelmessige intervaller å kunne pumpes ut av systemet og erstattes med ny 6

8 elektrolytt. Dette er et problem, ettersom det innebærer høyt forbruk av elektrolytt, samt hyppig vedlikehold. Alternativet til utskifting av elektrolytt er å fjerne CO 2 fra hydrogen- og lufttilførselen. Dette kan gjøres på forskjellige måter, men innebærer økt systemkompleksitet. Protonveksling Membran (PEMFC) For denne typen brenselceller er det flere navn som benyttes, og i dag er det forkortelsen PEM (Proton Exchange Membrane) som er hyppigst brukt. Andre forkortelser er SPFC (Solid Polymer Fuel Cell), SPE (Solid Polymer Electrolyte) og IEM (Ion Exchange Membrane). Det særegne med denne cellen er faststoff elektrolytten av polymermateriale som benyttes. PEMFC er den eneste lavtemperaturcellen med en fast elektrolytt. En karakteristisk egenskap er at cellen opererer med en meget høy effekttetthet (>0.9 W/cm 2 ), og dette gir den fordelen at muligheten for kompakte enheter er tilstede. Kompakthet er av største interesse for bruk i kjøretøyer, slik at PEMFC i dag er den cellen som virker mest aktuell til slik bruk på sikt. Cellen er en typisk lavtemperaturcelle med temperaturer langt under 200 C. En ulempe med tidlige PEMFC er var at de var følsomme for CO-forgifting av katodens katalysator av platina. Problemet løses i dag ved å tilsette 1-2% oksygen/luft til anodegassen, med den følgen at CO oksideres til CO 2, da cellen ikke har problemer med tilstedeværelse av CO2. PEMFC har relativt høye termiske virkningsgrader, omtrent 55-60% for en H 2 /O 2 -celle, men dersom syntesegass (H 2 og CO) benyttes som brensel synker den til 45-50%. Blant de systemene man har tro på for fremtiden er det allikevel kun MCFC, og kanskje SOFC på sikt, som kan gi så høye termiske virkningsgrader som 55-60%, og disse sikter seg inn mot andre markeder bruksmessig enn det PEMFC gjør. Bruksområdet for cellen har vært, er og planlegges å bli innenfor romfart, militære formål og fremdrift, men også innen elektrisitetsproduksjon. Det er stor interesse for kommersialisering innen fremdriftsformål, der økonomien i systemene per dags dato er det største problemet. 7

9 En av grunnene til høy pris er at cellen bruker platina som katalysator, men innholdet av platina har blitt kraftig redusert de senere årene, se figur 3: Forbruk av platina. Figur 3 Kilde: Ford (2001) PEMFC ble hovedsaklig utviklet av General Electric (GE) i perioden Ballard i Canada begynte å utvikle PEMFC i 1983 og har siden betydd mye for utviklingen etter at GE la ned sitt brenselcelleprosjekt. [4] I de senere årene har Ballard inngått samarbeid med Ford og Daimler Chrysler. Andre sentrale utviklere av PEM-brenselceller er Toyota, HPower, Panasonic, International Fuel Cells, NovArs, DeNora, og Plug Power for å nevne noen. Potensialet for PEMFC regnes for å være større enn for AFC, blant annet på grunn av den store aktiviteten på området inn mot bruk i kjøretøyer. Kjøretøymarkedet er meget stort selv om enhetene i seg selv er små. Det høye antallet enheter vil føre til at man raskt kommer opp i en produsert effekt tilsvarende flere store kraftverk Direkte Metanol (DMFC) Disse cellene er svært like PEMFC i og med at de begge bruker polymer-membraner som elektrolytter. En liten forskjell er at DMFC er tilsatt ruthenium(ru) på anoden for å forhindre CO forgiftning. I DMFC blir metanol (CH 3 OH) ledet direkte inn i brenselcellen, uten mellomsteget med reformering til hydrogen først. Dette gjøres fordi anoden selv tiltrekker seg hydrogenet fra den flytende metanolen. Fordelen med metanol er at det er billig i forhold til hydrogen, både produksjons- og lagringsmessig. Metanolføden er en blanding av vann og 3 % metanol, men 8

10 det forskes også på metanol i gassform. Bare en del av metanolen forbrukes, og resten må oppkonsentreres slik at den kan brukes om igjen. Dette krever avanserte metanolsensorer som er en kritisk komponent i brenselcellesystemet. Metanolsensorer er vanligvis basert på et elektrokjemisk system som måler den elektriske strømmen fra elektrooksidasjonen av metanol. En viktig barriere for DMFC er at metanoloksidasjonen på platinaelektroder er en relativt langsom reaksjon. Sammenliknet med hydrogenoksidasjon er den katalytiske aktiviteten for metanol ikke særlig effektiv for platina (Pt) elektroder. Dette kan forklares ved at det under oksidasjon av metanol dannes CO som et mellomprodukt. CO fører til blokkering av katalysesetene på Pt-elektroden, og stopper videre reaksjon. Dette forsøkes overvunnet ved utvikling av nye typer elektroder for å øke katalyseaktiviteten av platina for metanoloksidasjon. Et hovedproblem i DMFC er at metanol trenger gjennom membranen fra anoden til katoden (metanol cross-over ). Dette resulterer i at cellen bare har en virkningsgrad på ca. 35 %. [1] Nye katoder som tolererer metanol, forsøkes utviklet for å overvinne dette problemet. Et problem med metanoltolerante katoder, som for eksempel Mo 2 Ru 5 S 5, er imidlertid at disse elektrodene har dårligere katalytisk aktivitet for reduksjon av oksygen, enn tilfellet er for platinakatode. Cellen ganske godt egnet for mellomstore anvendelsesområder, eksempelvis mobiltelefoner og bærbare PC-er. Grunnen er temperaturområdet som cellen opererer under (70 90 C) er relativt lite. I dag brukes DMFC prototyper i militært elektronisk feltutstyr og for en tid tilbake lanserte DaimlerChrysler en Go-Kart som bruker denne brenselcelletypen. Det har vært en intens forskning og utvikling på denne typen brenselceller i de senere årene. Dette har ført til økt virkningsgrad, men DMFC blir fortsatt betegnet som en ganske ny teknologi og er fortsatt på forsøksstadiet. Benyttes metanol som hydrogenbærer, vil det også slippe ut mindre mengder CO 2. På grunn av en vesentlig mer effektiv prosess enn i en forbrenningsmotor oppnås likevel betydelige reduksjoner i CO2-utslippene, opptil prosent per utkjørt distanse. [25] Metanol har store fordeler; høy hydrogentetthet, er en væske og kan håndteres på lik linje med bensin, er mindre brannfarlig og brytes lett ned i naturen. Metanol lar seg også lett reformere; 9

11 hydrogen frigjøres fra metanol ved relativt lav temperatur og bruk av katalysator. I fremtiden anses metanol som den eneste realistiske kandidaten til såkalt direktekonvertering uten bruk av reformer. Metanol er svovelfritt som er en stor fordel da svovel ødelegger katalysatorene. DMFC for bærbar PC, Figur 4 DMFC skjematisk, Figur 5 Kilde: Hyweb Kilde: Steffen Møller-Holst Fosforsyre (PAFC) PAFC baserer seg på relativt veletablert teknologi. Den har vært under utvikling siden tidlig på 1960-tallet og har vært kommersielt tilgjengelig for stasjonær bruk siden 1993; sykehus, hotell, kontor bygg, hjelpeanlegg i kraftstasjoner, flyplasser, fyllplasser og renseanlegg for spillvann. Transportsanvendelser er imidlertid svært begrenset, men har vært vurdert som aktuell brenselcelletype for tog og har også vært utprøvd i busser Et av selskapene som selger PAFC kommersielt er International Fuel Cells (IFC). De har levert mer enn 250 fosforsyre-brenselcellesystemer på 200 kw. Til sammen har disse hatt en total driftstid på ca 6,45 millioner timer. IFC planlegger å legge ned produksjonen av PAFCbrenselceller, og vil i stedet lansere et 150 kw PEM-brenselcellesystem fra [6] PAFCs fordeler ligger i at konsentrert fosforsyre brukes som elektrolytt. Cellen er dermed CO 2 tolerant, hvilket reduserer oksidasjons bearbeidelsen. En annen fordel med cellen, ved siden av at det er 85 % total-virkningsgrad når spillvarme og varmekraft kombineres, er at man kan bruke urent hydrogen som brensel. PAFC kan tolerere en CO konsentrasjon på ca 1,5 %, hviket utvider utvalget av brensel. Hvis man bruker bensin må svovel fjernes. 10

12 Det er flere ulemper med denne brenselcelletypen. En er at en del av fosforsyren går tapt ved lengre tids bruk av cellen. Det er derfor nødvendig å tilføre elektrolytten ved jevne mellomrom. Siden driftstemperaturen på PAFC cellen er C, kreves kjøling under bruk i små installasjoner. Her må det nevnes at for lavere temperaturer reduseres ioneledningsevnen til fosforsyren betraktelig og CO forgifter platina katoden. Kjølingen kan gjøres på to måter; med luft (eventuelt gass) eller vann. Det største problemet med luftkjøling er at dette krever stor plass, og dermed reduserer muligheten for nedskalering av volumet på cellen. Vannkjøling på sin side er problematisk da det krever vannrensesystem for å hindre korrosjon i kjølesystemet. Egnet vannkvalitet kan oppnås med rensing ved bruk av ionebytter, men dette innebærer kostnadsøkning, og er begrenset til større systemer, over 100kW. Andre ulemper er kostnadene med å bruke platina som katode og generelt er disse cellene større, tyngre og strøm og elektrisitets-effekt er lavere sammenlignet med andre typer brenselceller. Karbonatsmelte (MCFC) MCFC ble konseptuelt utviklet i 40-årene og demonstrert i 50-årene. Utviklingen har gått sakte og teknologien regnes fortsatt som relativt ny. Brenselceller av denne typen er tunge og store systemer som i dagens form er mindre egnet for mobile anvendelser. Det er imidlertid en viss interesse for å benytte MCFC i skip. Cellens fordeler og ulemper er nært knyttet til den høye driftstemperaturen ( o C), som må opprettholdes for å få en tilfredstillende konduktivitet i elektrolytten. Mulighetene for intern reformering gjør cellen mindre ømfintlig for urenheter som CO og CO 2 i gasstilførselen.dette fører igjen til større fleksibilitet i utvalget av brensel. Typiske brensel er hydrogen, CO, naturgass, propan, deponigass og dieselolje. Temperaturen bidrar imidlertid til problemer med korrosjon og rask nedbryting av cellematerialene, spesielt elektrodene. Å komme fram til egnede cellematerialer er en mye større barriere for høytemperatursceller enn for celler som har lavere driftstemperatur. Kravene til korrosjonsmotstand, tetningsevne (for å unngå lekkasjer) og termisk stabilitet er store, og dette bidrar til høye kostnader for denne typen brenselceller. 11

13 Viktige produsenter er Fuel Cell Energy og Motoren- und Turbinen-Union (MTU). MTU har eller skal installere 14 MCFC-anlegg pr. mars 03, og forventer å starte serieproduksjon og salg til konkurransedyktige priser fra 2005/06. MTUs system opererer ved 650 C. Dette er en lav temperatur i MCFC-sammenheng, og det gir mindre materialstress. Den elektriske virkningsgraden for systemet er oppgitt til rundt 50 %. I tillegg leverer enheten høytrykksdamp ved 400 C. Levetiden er beregnet til timer. [7] Elektrisk effekt pr MW for ulike systemer Elektrokjemiske prinsipp for MCFC Figur 6 Figur 7 MCFC and SOFC Gas and steam power plant Streampower plant PAFC Diesel- and gas engines Industrial gas turbine Kilde: MTU Fastoksid (SOFC) Elektrolytten består av et oksid, vanligvis av zirkoniumoksid tilsatt litt yttriumoksid. Dette oksidet leder oksygenioner ved høye temperaturer. Den maksimale elektriske virkningsgraden til en SOFC som drives av hydrogengass er anslått til omlag 60 %. [1] Det er fortsatt enkelte problemer knyttet til SOFC. For å få høy nok ledningsevne er det nødvendig å operere brenselcellen ved temperaturer opp mot C. Som for andre høytemperaturceller er det vanskelig å finne materialer for SOFC med god nok termisk stabilitet. Valg av dyre materialer for å hindre korrosjon og nedbrytning av 12

14 cellematerialene gir høye kostnader for SOFC cellen. Det arbeides derfor med å utvikle nye stabile materialer for lavere temperaturer. Det finnes flere varianter av SOFC, men den som er nærmest kommersialisering er den rørformede varianten der en celle tilsvarer en sylinder. Denne er utviklet av Siemens Westinghouse Power Corporation (SW), et av de ledende selskap innen utviklingen av SOFC for stasjonær kraftproduksjon. Cellen er bygget lagvis opp på luft elektroden (katoden) med aksial sammenkobling som gjør katoden mottakbar og lar cellene bli koblet sammen i serier. Nylig produserte kommersielle celle-prototyper har dimensjonene 2,2 cm diameter og 150 cm lengde med en lukket ende. [8] Snitt av Siemens Westinghouse sine sylindriske brenselceller, Figur 8 For å generere tilfredstillende elektrisk effekt må cellen ha en operasjonstemperatur på rundt 1000 C. Luft må tilføres cellens innside med et trykkluftrør og brenselet tilføres cellens utside. I en åpen krets er det mulig å generere mellom 900 mv til 1V pr celle og derfor er cellene koblet i serie for å bygge opp spenningen. Effekten som produseres er proporsjonal med den utnyttbare overflaten i cellene. I atmosfærisk trykk, konstant temperatur rundt 1000 C, 85 % brensel- og 25 % luft-utnyttelse vil en sylinder SOFC generere effekt opp til 210 W likestrøm. [8] I 1997 ble 100 kw brenselceller fra SW installert i nærheten av Arnhem, Nederland. Brenselcellestakken ble drevet av naturgass og var i drift i timer. Det mest imponerende er da brenselcellestakken ble undersøkt for hvordan den tålte driften, fremsto 13

15 den som ny og uten noen tegn til degradering. Stakken ble senere flyttet til Tyskland, og har nå til sammen mer enn driftstimer bak seg. Den leverer 109 kw elektrisitet og den totale elvirkningsgraden (peakverdien) er 46 %. I området kw ligger elvirkningsgraden 40 %. Den leverer også 64 kw varme til fjernvarmenettet. [8] Figur 9 SOFC som var innstallert i Nederland som nå står i Tyskland Kilde: SW SW har nå flere demonstrasjonsprosjekter på gang. Ett er en 250 kw enhet som Shell Technology skal sette opp på Kollsnes utenfor Bergen i løpet av SW nettopp bygget et produksjonsanlegg for SOFC brenselceller i Pittsburgh USA, og vil starte salg av SOFCanlegg i størrelsen kw fra slutten av [8] Andre sentrale aktører som arbeider med å utvikle fastoksid-brenselceller er blant andre Rolls Royce og Sulzer. I Norge har det vært to store prosjekter innen SOFC; Mjølner og Norcell. Begge disse ble stanset for noen år siden, men Prototech i Bergen driver fremdeles med utvikling av SOFC. Den store bilkomponentleverandøren Delfi utvikler i samarbeid med BMW en fastoksidbrenselcelleenhet som skal erstatte bilbatteriet i BMWs fremtidige bilmodeller. Disse cellene vil bruke bilens drivstoff til elproduksjon, noe som vil gi en langt mer effektiv utnyttelse av drivstoffet enn dagens forbrenningsmotor og dynamosystem. Regenerative (RFC) Brenselcellen og vannelekrolyse har mye felles. Prosessene som foregår i cellene er akkurat speilbilder av hverandre. I elektrolysecellen spaltes vann ved hjelp av strøm, i brenselcellen gjenforenes hydrogen og oksygen for å danne vann og elektrisk kraft. 14

16 En celle som kan fungere i begge retninger kalles en regenerativ brenselcelle. Hvis man påtrykker en spenning, kan cellen produsere hydrogen. Den samme cellen kan fungere som en brenselcelle og produsere elektrisk kraft hvis hydrogen og oksygen (fra luften) tilføres. Forskningen har pågått i flere tiår, men cellene er fremdeles på utviklingsstadiet. Den regenerative funksjonen fører til at man må inngå kompromisser ved konstruksjon og valg av materialer. Dette gjør at cellene får en lavere effektivitet enn det man kan oppnå ved de rendyrkede teknologier. Systemet er imidlertid attraktivt i og med at det har potensiale som et stand-alone system uten behov for å bygge ut et distribusjonsnett for brenselet. Eksempelvis et system, basert på solenergi, som produserer overskuddsenergi i form av hydrogen om dagen og anvender dette hydrogenet i brenselcellen om natten. Et annet scenario kan være et system med en lengre syklus og sesonglagring av hydrogen. For norske forhold vil en kombinasjon av sol og vindenergi sikre en relativt stabil energitilgang til systemet, og eventuell overproduksjon kan lagres til perioder med mindre energitilgang. Hydro er i ferd med å etablere et demonstrasjonsprosjekt på øya Utsira, vest av Haugesund. Planen er å vise hvordan vindkraft og hydrogen sammen kan sikre energiforsyningen og gjøre øy-samfundet mindre avhengig (kanskje helt uavhengig en gang i framtiden) av undersjøiske strømkabler. [13] Kostnadsmessig kan et regenerativt system også ha fordeler framfor å lage to separate celler, men mest av alt er dette fordelaktig der plass- og vektmessige forhold spiller en vesentlig rolle. Det er derfor systemet egner seg godt for satelitter og kjøretøy. For stasjonære anlegg vil et regenerativ system også ha fordeler, men for å gi totalsystemet en høyest mulig effektivitet, vil sannsynligvis elektrolyse- og brenselcellen her være to separate enheter. [1,12,14] Figur 10 Kilde: OSAT: Green Power 15

17 Pilotprosjekt med naturgass og fisk På Kollsnes Næringspark i Øygarden kommune utenfor Bergen arbeider Shell Technology Norway AS med et pilotprosjekt bygget rundt en SOFC brenselcelle. Prosjektet er et resultat av samarbeid mellom Siemens Westinghouse, Shell E&P Technology og Shell Hydrogen. Siemens Westinghouse har utviklet selve brenselcellen, mens Shell har rettighetene til den etterbrenneren som gjør at man får rene sluttprodukter som elektrisitet, vann og ren CO 2. Teknologien er basert på elektrolyseprosessen i brenselcelleanlegget. Hver brenselcelle i SOFC har en membran som separerer oksygen og som tillater migrering av oksygen fra luft elektroden til brenselelektroden hvor brenselcellens reaksjoner forekommer. Den oksiderte brenselgassen blir ikke blandet med nitrogen fra luften, og eksosgassen består derfor nesten utelukkende av damp og ren CO 2. Gasskraftverket vil ha høy effektivitet. Om lag 50 % av energien blir omgjort til elektrisitet, mens ytterligere % blir omgjort til varmt vann som gir en total virkningsgrad opp mot 75 %. [16] Pilotprosjektet i Kollsnes Næringspark er bygget på prinsippene om bærekraftig utvikling og vil produsere elektrisitet tilsvarende 250 kw [16], varmt vann og ren CO 2 som brukes i fiskeoppdrett. I Kollsnes Næringspark skal ren CO 2 og lys produsere alger som igjen blir brukt som fiskefôr. Det oppvarmede kjølevannet blir brukt til å gi optimale vekstvilkår for oppdrettsfisken. Prosjektet ventes å være i drift våren 2004 etter flere år med forberedelser, planlegging og konstruksjon. Målet for prosjektet er å vise hvordan ZESOFC (Zero Emission Solid Oxide Fuel Cells) vil fungere i praksis. Enkel oversikt over anleggets funksjoner, Figur 11 16

18 Busstransport, CH4-forbrenningsmotor og brenselceller Naturgassen som drivstoff i forbrenningsmotorer har de beste forutsetninger for å gi lite lokal forurensning i form av helseskadelige avgassutslipp. Grunnen til dette er at metan er en enkel hydrokarbonforbindelse og sannsynligheten for dannelse av partikler ved forbrenning er meget liten. Metan brenner relativt langsomt og med lav flammetemperatur. Metan gir derfor mindre utslipp av termisk NO x enn de fleste andre drivstoffer.[20] Den siste tiden har allikevel de største motorprodusentene satset aller mest på videreutvikling av dieselmotoren i en miljøvennlig retning. Det skjer langt mindre utvikling av naturgassmotoren og nå blir hydrogen allment omtalt som framtidens energi. I transportsektoren brukes lavtemperatur- brenselceller som bare slipper ut vann, og energiforbruket fra kilde til nyttig transportenergi (Well to wheel ) er lik eller noe høyere for brenselceller med hydrogen enn for naturgassmotorer.[20] Det store problemet med brenselcellene er prisen. Busstransport er et stort satsningsfelt, men få busser blir produsert og det er foreløpig kun prototyper. Mange bussprodusenter jobber med utviklingen av hydrogenbusser, men foreløpig har ingen kommet i serieproduksjon. Prisen pr. i dag er 14 millioner kroner mot ca. 2 millioner for en vanlig buss.[21] Ved bruk av hydrogen som brensel er lagring og transport et stort problem. Grunnen til dette er at energitettheten er mye lavere for hydrogen enn for konvensjonelle energibærere, og krever dermed større lagringsplass. Energitetthet konsekvenser for transport av samme energimengde, Figur 12 Kilde: Eli Aamodt, foredrag Naturgass og miljø, 10. oktober 2003, NTNU 17

19 Driftsmessig kommer naturgassbussene best ut, som en ser av tabell 1. I dag er det ingen metoder som prismessig kan konkurrere med fremstilling av hydrogen fra naturgass. Med en prislapp på 13 øre/kwh, for å reformere naturgass til hydrogen, vil dette bli mye dyrere i drift. Og dette er uten CO 2 deponering, som vil føre til at kostnadene øker til øre/kwh. Mange store selskaper beveger seg allikevel fra vakre ord til handling. Selskaper innenfor ulike bransjer har de seneste årene lagt ned store summer i forskning og utvikling av hydrogen og brenselceller til energiformål. For komersielle anvendelser på landjorden må imidlertid både pris, tilgjengelighet/distribusjon og sikkerhetskrav være akseptable før hydrogen kan erstatte fossile brennstoffer som energibærer. [23] 18

20 Miljø og kostnader Bruk av fossile energibærere medfører miljømessige konsekvenser, men for å få en riktig sammenligning med brenselceller er det viktig å se på hele drivstoffkjeden i sin helhet. Produksjon av drivstoff gir utslipp av klimagasser, og utslippsmengden avhenger av hvordan produksjonen skjer. I figur 13 ser vi utslippsforholdet av CO 2 mellom noen energikilder, og ser at dette er noenlunde likt mellom naturgassmotorer og H 2 reformering av naturgass. Reformering av naturgass med CO 2 deponering, ligner mer på grafen for H 2 elektrolyse, som gir null utslipp.[17] Figur 13 Under driftstiden i for eksempel bussdrift kommer brenselceller med hydrogen godt ut med sin høye virkningsgrad og vil i stor grad kunne forsvare at innkjøpsprisen blir noe dyrere. Å bryte markedsbarrierene er en utfordring for nye energibærere. En av disse er skapt på grunn av subsidiering av konvensjonell energi og dagens priser på slik energi reflekterer ikke de samfunnsmessige kostnadene bruken av dem skaper.[17] Figur 14 19

21 I EU-kommisjonens hvitbok Energi for fremtiden, er det satt som mål at EU i år 2010 skal dekke 12% av energibruken med fornybar energi, som tilsvarer en dobling i forhold til dagens nivå. En måte å realisere dette på er å innføre prinsippet om at forurenser skal betale. Ved en slik innføring vil mange former for fornybar energi bli konkurransedyktige i løpet av kort tid. Det vil også gi brenselcelle teknologien et stort løft og gi reformering av naturgass med CO 2 deponering til en attraktiv forskningsarena.[18] Et eksempel på forurenser skal betale er gjengitt i tabellel 1.[18] Energikilde Tillegg i øre/kwh Kull Olje Avfall Naturgass 6 35 Kjernekraft Sol 0 5 Vind 0 2 Biomasse 0 6 Tabell 1 Miljøkostnader for ulike energikilder Kilde: NFR/NVE Nye fornybare energikilder 20

22 Kildehenvisninger 1 Fuel Cells Fuel Cell Today 3 Nigel Brandon and David Hart: An introduction to fuel cell technology and economics 4 Ford. "Fords R&D on direct hydrogen fuel cells systems", EVS Ballard Power Systems Inc 6 International Fuel Cells, IFC 7 Motoren- und Turbinen-Union (MTU), MTU CFC Solutions 8 Siemens Westinghouse, SW 9 Hydrogen fuel cell energy information 10 Møller-Holst Steffen, PEM brenselceller; Status, teknologi og applikasjoner 11 Børresen Børre, Brencelceller teknologi og anvendelse 12 Fuel Cells: Types of Fuel Cells 13 Norsk Hydro - Utsira - utstillingsvindu for hydrogensamfunnet 14 Office for the Study of AutomotiveTransportation: Fuel Cells Green Power 15 Fornybar alternativ energi Alternativ_Fornybar_Energi/brenselceller/ 16 Kollsnes Næringspark 21

23 17 NFR/NVE Nye fornybare energikilder 18 Gassmagasinet, Energilex 19 NVEs opplæringsoperatør, Lars Bugge og Fritjof Salvesen, KanEnergi AS, TØI rapport 613/2002, Rolf Hagman, Oslo TR A5171, Energi i Norge, SINTEF energiforskning, Ressurser, teknologi og miljø 24 Brenselsceller et alternativ til forbrenningsmotoren? 1.lektor Turid Knutsen, Høgskolen i Agder, Avdeling for teknologi 22

24 Vedlegg 1 Ladningsbærer / Elektrolytt Vedlegg Type AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC OH - / H + / H 3 PO 4 (aq) CO 2-3 / O 2- - / ZrO 2 KOH (aq) - K 2 CO 3 Y 2 O 3 (s) System virkningsgrad (%) Operasjons temperatur (C ) Temperatur klassifisering H + / krysspolymer (sovelsyrekatalysator) Li 2 CO 3 (l) (trykksatt <130) Lav Lav Lav Lav Høy Høy Brensel Renset H 2 Renset H 2 CH 2 OH i aq løsning H 2 H 2, CO, CH 4 og lett CH H 2, CO, CH 4 og lett CH Anode Ni Pt, PtRu Pt, PtRu Pt Ni Ni materiale Katode Fe, Pt, Pt, MoS 2 Pt, PtMo Pt Ni Perovskitter materiale Poryferin Anode reaksjon H 2 + 2OH - 2H 2 O + 2e - H 2 2H + + 2e - CH 3 OH + H 2 O CO 2 H 2 2H + + 2e - 2- H 2 + CO 3 H 2 O + H 2 + O 2- H 2 O + 2e - + 6H + + 6e - CO 2 + 2e - Katode reaksjon ½O 2 + H 2 O + 2e - 2OH - ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O 6H + + 6e - + 1,5O 2 ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O ½O 2 + CO 2 + 2e - 2- CO 3 ½O 2 + 2e - O 2- Total reaksjon H + / krysspolymer (sovelsyrekatalysator) Hovedbruksområde Fordeler Ulemper Status H 2 + ½O 2 H 2 O Romfart, små el motorer CO tolerante anode, lang levetid Korrosiv væske elektrolytt, CO 2 intolerant, dyre materialer Vanlig i romfart, kommersielle H 2 + ½O 2 H 2 O Små el motorer Lang levetid, ingen korrosive væsker, enkel produksjon, svært kompakte CO intolerant, dyre materialer, behøver vannregnskap i membranen, vanskelig å frigjøre varme Rask utvikling i bil- og forsvarsindustrien. Semikommersiell Kilder: Fuel Cells 2000Fuell Cells Today Nigel Brandon og David Hart Steffen Møller-Holst Børre Børresen 3H 2 O CH 3 OH + 1,5O 2 CO 2 + 2H 2 O Små el motorer Metanol er et flytende brensel Kompleks, edel katalysator. Brensel diffuserer gjennom elektrolytten Småskala laboratorie testing. Nye membraner blir utviklet H 2 + ½O 2 + CO 2 H 2 O + CO 2 Små el generatorer Godt etablert teknologi, CO 2 tolerant, billig produksjon, høy total energieffektivi tet Lav effektivitet sammenlignet med konkurrerende teknologi Kommersielt tilgjengelig for en høy pris H 2 + ½O 2 + CO 2 H 2 O + CO 2 Kraftproduks jon Intern NG reformering, høy-energi varme Ustabil elektrolytt, korrosjon, sintring ingen bevis for lang levetid Utprøving (200 kw enheter) H 2 + ½O 2 H 2 O Kraftproduksjo n Intern NG reformering, høy-energi varme, lang operasjonstid Dyre materialer, lav spesifikk effekt for de mest moderne Utprøving (100 kw enheter). 220 kw planlegges 23

25 Vedlegg 2 24