Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige …ungetalenter.dk/sites/default/files/aktiviteter/ankehagen... · DTU Energy, Technical University of Denmark ... C. Jürgens, T. Pfeifer,

Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige energisystem uden fossile brændstoffer –Brændselsceller og elektrolyse

Anke HagenProf. (mso) Dr. rer. nat., Sektionsleder Anvendt Elektrokemi

DTU Energy, Technical University of Denmark Anke Hagen

Program

2 Akademiet 2015

Modul Program

4 Fremlæggelse International status Diskussion, perspektivering,

andre teknologier, debat om mulige scenarier

Præsentation/Diskussion


Fremlæggelse

Fremstilling af celler (SOFC)Mikroskopi (SOFC)Celletest (SOFC)PEM Brændselsceller

Opgave til publikum:Find på et spørgsmål, hver.

3 Akademiet 2015


Byg et system med SOFC brændselscellerByg et system med SOFC brændselsceller

Fra enkelte SOFCer til et produkt

4 Akademiet 2015


By et system med SOFC brændselscellerBy et system med SOFC brændselsceller


5 Akademiet 2015

Brændstof-forbehandling

SOFC Stack DC/AC

Konvert.

Varmvandsbeholder

Naturgas

Luft

Strøm til bruger

Varme til bruger


By et system med SOFC brændselsceller

De fleste af systemkomponenterne (Balance of Plant – BoP) skal udvikles og skræddersyes til SOFCer

By et system med SOFC brændselsceller

De fleste af systemkomponenterne (Balance of Plant – BoP) skal udvikles og skræddersyes til SOFCer


6 Akademiet 2015

Brændstof-forbehandling

SOFC Stack DC/AC

Konvert.

Varmvandsbeholder

Naturgas

Luft

Strøm til bruger

Varme til bruger


Kender I til kommercielle SOFC brændselsceller?Hvad er udfordringer for at komme på markedet?Kender I til kommercielle SOFC brændselsceller?Hvad er udfordringer for at komme på markedet?

International status – Hvor er SOFC brændselsceller?

7 Akademiet 2015


Kender I til kommercielle brændselsceller?

”I moderne tid har brændselsceller fået deres første kommercielle anvendelser inden for rumfart, fordi ydelse, pålidelighed og størrelse er mere afgørende end prisen på dette anvendelsesområde. I disse år trænger forskellige typer brændselscellesystemer imidlertid frem på nichemarkeder, hvor brændselscellesystemernes særlige fortrin kan kompensere en relativ høj anskaffelsespris.”

Kender I til kommercielle brændselsceller?

”I moderne tid har brændselsceller fået deres første kommercielle anvendelser inden for rumfart, fordi ydelse, pålidelighed og størrelse er mere afgørende end prisen på dette anvendelsesområde. I disse år trænger forskellige typer brændselscellesystemer imidlertid frem på nichemarkeder, hvor brændselscellesystemernes særlige fortrin kan kompensere en relativ høj anskaffelsespris.”


8 Akademiet 2015

From http://www.hydrogennet.dk/152/


Eksempler på kommercielle SOFC produkterEksempler på kommercielle SOFC produkter


9 Akademiet 2015




10 Akademiet 2015

Japan


Eksempler på kommercielle SOFC produkter

Japan har i mange år haft et stort støtteprogram for udvikling af SOFC brændselscellerFørste kommercielle produkter blev støttet

Eksempler på kommercielle SOFC produkter

Japan har i mange år haft et stort støtteprogram for udvikling af SOFC brændselscellerFørste kommercielle produkter blev støttet


11 Akademiet 2015

Japan


Eksempler på kommercielle SOFC produkter Specification of Ene Farm type S: Power Output 700 W(rated)～50W Electric efficiency (rated) 46.5% Heat recovery efficiency 43.5%



12 Akademiet 2015

Japan

Osaka Gas, 2009

From http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2Fimages%2F0305_woec01.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2F0305_woec.html&h=267&w=400&tbnid=OqNpg3jVVb5_SM%3A&docid=NVdCcArymyvn_M&ei=C1cOVqapIIKosgHBzJKYCQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1583&page=1&start=0&ndsp=42&ved=0CCQQrQMwAmoVChMI5trO_cSjyAIVApQsCh1BpgST





13 Akademiet 2015

Japan

Osaka Gas, 2009

From http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2Fimages%2F0305_woec01.jpg&imgrefurl=http%3A%2F%2Fglobal.kyocera.com%2Fnews%2F2012%2F0305_woec.html&h=267&w=400&tbnid=OqNpg3jVVb5_SM%3A&docid=NVdCcArymyvn_M&ei=C1cOVqapIIKosgHBzJKYCQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1583&page=1&start=0&ndsp=42&ved=0CCQQrQMwAmoVChMI5trO_cSjyAIVApQsCh1BpgST

From http://www.fuelcelltoday.com/media/1846139/13-02-27_latest_developments_in_the_ene-farm_scheme.pdf




14 Akademiet 2015

USA


Eksempler på kommercielle SOFC produkterProdukt: Strøm

” Clean Energy: Bloom Energy delivers Better Electrons™”

Eksempler på kommercielle SOFC produkterProdukt: Strøm

” Clean Energy: Bloom Energy delivers Better Electrons™”


15 Akademiet 2015

USA

From http://www.bloomenergy.com/

• Base load output (net AC) 250 kW• Fuels Natural gas, directed biogas• Cumulative electrical efficiency

(LHV net AC) 52-60%


Eksempler på kommercielle SOFC produkterKunder:Eksempler på kommercielle SOFC produkterKunder:


16 Akademiet 2015

USA

From http://www.bloomenergy.com/customer-fuel-cell/


Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterEksempler på pre-kommercielle SOFC produkter


17 Akademiet 2015

Europe


Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggasEksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas


18 Akademiet 2015

Europe


Eksempler på pre-kommercielle SOFC produkterMindre enheder på campinggas

• Off-grid, Eneramic®, A Reliable and Cycleable 100W SOFC System • Compact SOFC battery hybrid system, operation on commercially available fuels.• Product E2.0:

– Power output 110 W– Efficiency 24 %– Volume 55 l– Weight 23 kg


• Off-grid, Eneramic®, A Reliable and Cycleable 100W SOFC System • Compact SOFC battery hybrid system, operation on commercially available fuels.• Product E2.0:

– Power output 110 W– Efficiency 24 %– Volume 55 l– Weight 23 kg


19 Akademiet 2015

Europe

S. Reuber, S. Megel, C. Jürgens, T. Pfeifer, M. Bednarz, C. Wunderlich and A. Michaelis, ECS Transactions, 68 (1) 131-141 (2015)

Application test of eneramic® system – power supply of

LED-board for urban

traffic control



• Off grid, EN 500 P


• Off grid, EN 500 P


20 Akademiet 2015

Europe

EFCF Lucerne 2014, The EN 500 P – a compact and highly efficient SOFC module for various off-grid markets, Matthias Boltze, Gregor Holstermann, Arne Sommerfeld, Alexander Herzog, Company & Major groups development Chapter 04 - Sessions A06/A08 - 73/96 Status II & III: Worldwide

The EN 500 P installed on a 12 meter house boat in Germany

Schematic application of the SOFC system as a battery hybrid system


Omfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.fieldOmfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field


21 Akademiet 2015

Europe

http://enefield.eu/




22 Akademiet 2015

Europe

http://enefield.eu/


Omfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field, ~900 enhederOmfangsrig demonstration SOFC i huseProjekt: EU ene.field, ~900 enheder


23 Akademiet 2015

Europe

http://enefield.eu/

Denmark

UK

France

Netherlands

Belgium

Italy

Slovenia

AustriaSwitzerland

Germany

Luxembourg




24 Akademiet 2015

Europe

Eva Ravn Nielsen, Jonathan Hallinderhttp://enefield.eu/

Vaillant has provided the historical LogherberhausHotel


… og Danmark?… og Danmark?


25 Akademiet 2015

Danmark


… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:


26 Akademiet 2015

Danmark

Installation position for the APU on the U.S.-market Volvo Class 8 demonstrator

Truck APU, AVL SOFC Systems

XIII. SOFC Okinawa 2013, Juergen Rechberger et al. AVL List GmbH, Graz, AustriaEFCF Luverne 2014, J. Rechberger, A. Kaupert, C. Greisen, R. Johansson, L. Blum

SOFC developed at Risø(now DTU Energy)


… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:… og Danmark?Topsøe Fuel Cell SOFCer:


27 Akademiet 2015

Danmark

http://www.ecofriend.com/entry/wrtsil-corporation-installs-sofc-onboard-car-carrier-undine/

•Danish SOFCs and stacks, installed by Finnish Wärtsilä on ship owned by Swedish WalleniusLines

•More than 1250 hours under harsh conditions on board the cargo vessel Undine sailing between Europe, North America and Southeast Asia demonstrated.

•Unit running on methanol fuel, Haldor Topsø A/S has supplied the methanol methanatorcatalyst for the fuel processing.

20 kW APU



… og Danmark?

Indtil for et år siden havde Danmark en virksomhed, der udviklede SOFCer: Topsøe Fuel Cell, men den lukkede i 2014

… og Danmark?



28 Akademiet 2015

Danmark


… og Danmark?


SOFC forskningen fortsætter på DTU Energi i samarbejde med internationale universiteter og virksomheder

… og Danmark?


SOFC forskningen fortsætter på DTU Energi i samarbejde med internationale universiteter og virksomheder


29 Akademiet 2015

Danmark



Opsamling

30 Akademiet 2015

Hvordan kan vi dække vores behov med det, naturen tilbyder?

Vi skal konvertere energi fra vedvarende kilder til energiformer vi kan bruge, på de tidspunkter hvor vi har brug for dem.

Regeringens mål er et dansk samfund baseret på 100 pct. vedvarende energi i energi- og transportsektorerne i 2050.

Vi skal udvikle teknologier, der kan Producere strøm, når det ikke er muligt fra vedvarende kilder

(fra vind, sol, …) Gemme strøm, når der produceres mere fra vedvarende kilder

end vi lige kan forbruge

Vi vil bevare et godt miljø for vores planet!


Opsamling

Brintelektrode

Fastoxidelektrolyt

Luftelektrode

Brint eller naturgas, biogas, mm.

Elektricitet og varme

Brint og andre gasser (metan) eller væsker (metanol)

Elektricitet, vanddamp (og kuldioxid)

Vinden blæser stærkt om natten, hvor vi ikke lige har

brug for strøm

Brændselscelle

Akademiet 2015

Elektrolyse

Vinden blæser ikke, Vinden blæser ikke, solen skinner ikke og vi har brug for

strøm


Med SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolyt

fastoxid elektrolyt

Opsamling

32

O2

H2

Akademiet 2015


Med SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolytOg reagerer hver for sig på elektroderne

brint elektrodefastoxid elektrolytluft elektrode

Opsamling

33

O2 + 4e- 2O2-

O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-

O2

H2

Akademiet 2015


OpsamlingMed SOFC:Ilt- og brintgas bliver adskilt fra hinanden via elektrolytOg reagerer hver for sig på elektroderne

34


Solid oxide electrolysis cell - SOEC

Solid oxide fuel cell - SOFC

O2 + 4e- 2O2-

O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-

e-

O2

H2

Akademiet 2015



35




O2 + 4e- 2O2-

O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-

e-

O2

H2

Akademiet 2015

CO 2CO + 2O2- 2CO2 + 4e-?



36




O2 + 4e- 2O2-

O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-

e-

O2

H2

Akademiet 2015

CO 2CO + 2O2- 2CO2 + 4e-?Kulbrinter (naturgas, biogas, diesel, etc.)Kulbrinter (naturgas, biogas, diesel, etc.)


OpsamlingVi laver strøm ved hjælp af en SOFC brændselscelle

37

fuel electrodesolid oxide electrolyteair electrode



O2 + 4e- 2O2-

O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-

e-

O2

H2

Akademiet 2015


OpsamlingVi laver strøm ved hjælp af en SOFC brændselscelle

38




O2 + 4e- 2O2-

O2- 2H2 + 2O2- 2H2O + 4e-

e-

O2

H2

Akademiet 2015


OpsamlingVi gemmer strøm ved hjælp af SOEC elektrolyse

39




2O2- O2 + 4e-

O2-

O2

2H2O + 4e- 2H2 + 2O2-

e-

Akademiet 2015

H2


Opsamling

Forsøg med brændselsceller

Fremstilling

Afprøvning

Mikroskopi

40 Akademiet 2015

Tape casting Sprøjtning Silketryk Sintring

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0 0.3 0.6 0.9 1.2j cell/ [A cm-2]

Uce

ll/ [V

]

LSC/CGO, PLD CGOLSCF/CGO, PLD CGOLSCF/CGO, Spin-coated CGOLSCF/CGO, Sprayed CGOLSM/YSZ

Tcell= 650 ºC; qfuel= 25 ml min-1cm-2; XaH2= 0.8, XaH2O= 0.2; qoxidant= 146 ml min-1cm-2, XcO2= 0.21


Opsamling

Første SOFC-systemer kan købesAnvendelser rækker fra små, bærbare <1 kW op til store MW systemerIntens international forskning, udvikling og demonstration

41 Akademiet 2015

Documents

Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige …ungetalenter.dk/sites/default/files/aktiviteter/ankehagen... · DTU Energy, Technical University of Denmark ... C. Jürgens, T. Pfeifer,