En introduktion till Bränsleceller

Transkript

1 En introduktion till Bränsleceller Erik Johansson Energivetenskaper, Lunds Tekniska Högskola Februari 2015

2 Om mig Examen Energiteknik Umeå Universitet 2010 Exjobb i Vancouver, simulering av bränsleceller Doktorand Energivetenskaper Lunds Tekniska Högskola Disputerar i december

3 Historiens första Bränslecell (1839) Gaseous voltaic battery Omvänd elektrolys Published in Philosophical Magazine and Journal of Science Första riktiga applikationen dröjde mer än hundra år!

4 En snabbväxande marknad

5 Hur fungerar en bränslecell? Omvandlar kemisk energi från ett bränsle till eletricitet Vatten är enda biprodukt Luft Bränslecell + Elektricitet Vätgas - Vatten

6 Polymermembranbränslecell (PEMFC) Den vanligaste typen av bränslecell, säger jag inget annat så är det denna typ jag menar Mest forskningningsresurser Låg arbetstemperatur, optimalt ~80 grader celsius Högre effekt, både mätt som W/kg och W/cm^2, än andra bränsleceller som jobbar vid låga temperaturer Väldigt ren vätgas måste användas som bränsle Dyr platina måste användas till katalysatorerna

7 Polymermembranbränsleceller Protoner leds från anod till katod Membranen: polymerer Elektroderna: poröst kol Platinum i katalysatorn

8 Fastoxidbränslecell (SOFC) Hög effektivitet Flexibel gällande bränsle Behöver inte ädelmetaller i katalysatorerna Högre arbetstemperatur ( grader) Svårare att starta (måste värmas) Materialproblem, packningar osv.

9 Fastoxidbränslecell Metan och CO kan användas som bränsle - Dessa ämnen är giftiga för en polymermembranbränslecell! O2- -joner leds från katod till anod Membran och elektroder är keramiska Nickel som katalysator

10 Snabb sammanfattning Det finns olika typer av bränsleceller som klassificieras av typen av membran Två av de vanligaste kallas polymermembranbränslecell (PEMFC), låg arbetstemperatur Fastoxidbränslecell (SOFC), hög arbetstemperatur PEMFC SOFC Arbetstemperatur (celsius) < Membran Polymer Keramiskt Joner i membranet H+ O2-

11 Effekt i en bränslecell Högre ström -> större förluster Maximal effekt nås ej vid maximal last Effekt från en cell ganska liten

12 Stack flera bränsleceller på rad Effekten från en bränslecell räcker inte långt Flera på rad används för att få ut en användbar effekt

13 Så här kan en komplett stack se ut! Ett av de första moderna (1959) demonstrationsprojekten

14 Batterier vs. Bränsleceller Batterier lagrar elektricitet Behöver el från en extern källa Bränsleceller producerar elektricitet Behöver bränsle (oftast vätgas) från en extern källa Bränsleceller går snabbare att ladda (minuter ist. för timmar) Batterier är mognare: bränsleceller har fortfarande många tekniska utmaningar kvar

15 Batterier, bränsleceller och dieselmotorer

16 Fördelar Energieffektivitet Hög energieffektivitet redan vid låg effekt Vissa företag marknadsför 60% elverkningsgrad för ett kraftverk på 1.5kW

17 Fördelar Miljö Utsläpp endast vid framställning/transport av bränsle Inga lokala utsläpp CO2, NOX Låg bullernivå Tystgående fordon Väldigt bra för kringsystem i tex. lastbilar

18 Fördelar Möjligheter till system av många olika storlekar Nu: 1W-50MW Framtid: 1W 1GW Verkningsgraden inte så beroende av systemets storlek Ett större system görs helt enkelt med fler/större stackar Högre verkningsgrad när bränslecellen inte jobbar vid maxlast Användbart i kraftverk som ofta inte går på maxlast

19 Förnyelsebar energi Renewable Energy Sources for Fuel Cells Pictures courtesy MTU CFC An activity of the World Fuel Cell Council e.v.

20 Nackdelar Kostnad

21 Nackdelar Katalysatorer innehåller stora mängder platinum Intensiv forskning för att hitta gångbara alternativ Bipolar plates Dyra material och dyra beläggningar Membran Krångliga tillverkningsprocesser

22 Nackdelar Tillgång på bränsle Bränslets ursprung

23 Varför är bränsleceller intressanta? Tar upp väldigt många av de saker som energiteknik fokuserar på: Värmeöverföring Masstransport Termodynamik Strömningslära Kemi (Materiallära) (Design av system)

24 Kort rast!

25 Applikationer Rymden Militären Fordonsindustri Bränslecellsdrift APU (för tomgångskörning) Portabel elektronik Värme och Kraft Storskaliga kraftverk Småskaliga kraftverk Back-up generatorer

26 Applikationer uppdelat på industri Antal enheter Antal MW Per sektor

27 Applikationer uppdelat på världsdel

28 Apollo space program ( ) Första kommersiella användningsområdet Hög effekt/kg, pris inte så viktigt Matades med rent H2 och O2. Biprodukten vatten användes sedan som dricksvatten!

29 Militära applikationer Väldigt låga ljudnivåer Används till bla. ubåtar och drönare U-Boot-Klasse 212 A Tyska och italienska militären Dieselmotor för att färdas snabbt + bränslecell för att färdas ljudlöst Ljudlös, nästan inget värmespår gör den väldigt svår att hitta 56 m lång, 9*30 kw bränslecell

30 Portabel elektronik Friluftsliv Portabel övervakningsutrustning Ersätta batterier i laptops (5-10 ggr högre energitäthet!) Detta har varit en dröm länge, men det händer väldigt lite på denna front just nu Militära användningsområden Högre energitäthet än batterier + låga ljudnivåer

31 Portabel Elektronik MyFC (Svenskt företag registrerat på stockholmsbörsen) Portabel laddare för mobiltelefoner, surplattor och actionkameror En vätgaspuck används som bränslekälla Pris: 149

32 Portabel elektronik Till och med Barack Obama visar intresse för produkten

33 Kraftvärmeverk Storskaliga kraftverk (Mest Sydkorea) Lägre utsläpp av växthusgaser Aktuellt i länder med utbyggd infrastruktur för gas Ofta en del av en aktiv miljöpolitik Småskaliga kraftverk (Mest Japan) Enskilda hushåll / Kommersiella byggnader etc. Backup power (Mest Indien) Sverige ingen marknad just nu Ingen infrastruktur för gas Väldigt låga elpriser jämfört med tex Japan

34 Storskaliga kraftvärmeverk Världens största i Sydkorea 59 MW el (Dåva 1 + Dåva 2 = 40 MW el MW fjärrvärme) Största i USA 14.9 MW el

35 Företag med egna kraftverk Lägre carbon footprint Bra publicitet Apple 10 MW fuel cell farm Varje rad 200 kw Andra exempel på kända företag med egna bränsleceller Google: 400 kw Nokia: 400 kw ebay: 500 kw kw Panasonic: 750 kw Honda: 1000 kw Coca Cola: 500 kw kw Walmart: 40+ installerade DoD: 1600 kw

36 Småskaliga kraftvärmeverk (0.7-1kW el) För enskilda hushåll / kommersiella byggnader osv. Japanska marknaden störst Högt elpris största drivande faktor Reglering från myndigheterna Diversifiera energigenerering Reducera smog Avcentralisering Sydkorea och Europa i startgroparna

37 Småskaliga kraftverk (0.7-1kW el)

38 Demonstration projects Home heating and electricity (Japan)

39 Installerade småskaliga kraftverk Europa = Mest Tyskland, men också Danmark, Spanien och Polen. Ingenting i Sverige

40 Prisutveckling småskaliga kraftverk Prisutveckling Priser ner 85 % i Japan över tio år Ner 60 % i Tyskland över fyra år Learning by doing Forskningsframsteg Kostnadsminskningen planar ut pga De största optimiseringarna gjordes tidigt Själva bränslecellen är nu en mindre del av kostnaden: Andra komponenter som redan är utvecklade står nu för merparten

41 Back-up power Längre drifttid (2-10 ggr längre) än blybatterier som ofta används nu Liten storlek Fungerar under hårda förhållanden Marknader Telecomindustri (störst) Sjukhus Datacenter Banker

42 Back-up power Global sales volume Cold start up time 10 s 3s Relability 99.9 % 99.9% Transient power response time 5s 5s Total system cost 2000 $/kw 1500 $/kw Cold start -10 C -20 C

43 Indien kommer att bli en stor marknad!

44 India calling Penetration of cellphone usage in India Expect to rice from 15 to 50% over the next 5 years base stations are built per day The public grid is not very stable. Ballard among others are supplying fuel cell systems for wireless bas station back up power

45 Fordon Truckar Bussar Bilar

46 Truckar på lager inomhus Den marknad som sett störst kommersiell framgång USA överlägset största marknad Konkurrerar med batteridrivna fordon Snabb tankning Stora amerikanska företag som kunder : Wal-Mart, GM, Bridgestone, Verizon

47 Truckar

48 Bussar Fuel cell bus club Bränslecellsbussar har rullat I mängd olika städer, bla. Stockholm Central tankstation Flera kommersiella aktörer Mest aktivitet i kanadensiska Whistler

49 Well-to-Wheels: Hur mycket CO2 kommer framtidens bilar släppa ut?

50 Kommersialisering av bränslecellsbilar

51 Bilar Toyota Mirai (framtid på japanska) 153 Hästkrafter 480 km räckvidd Pris: $ ( kr) Honda, Toyota (Japan) Chevrolet (USA) Hyundai (Korea) Mercedes (Tyskland)

52 Tankstationer i Kalifornien Sverige två st. Malmö och Arlanda flyplats

53 APU (el till kringsystem i lastbilar) En lastbil på tomgång har en elverkningsgrad ~3 % En extramotor som enbart är kopplad till fordonets elektronik ökar verkningsgraden avsevärt Främst aktuellt i USA Lagstiftning mot tomgångskörning och NOx-utsläpp Hög verkningsgrad vid tomgångskörning Komfort (vibrationer, ljud) Väldigt stor potentiell marknad

54 Powercell (Göteborg) Reformer (så diesel kan användas som bränsle) Avknoppningsföretag från Volvo lastvagnar Bolaget börsnoterades dec 2014

55 Powercell / Volvo trucks (Sweden)

56 Lunds Tekniska Högskola Energivetenskaper / Bränsleceller Två professorer, en assisterande professor En post doc Fyra doktorander En exjobbare som just nu gör experiment i Chengdu, Kina En strid ström av gästforskare Fokus på simuleringar, med starka internationella partners för experimentell verksamhet

57 Lunds Tekniska Högskola Energivetenskaper / Bränsleceller Starka internationella samarbeten Kina Många samarbetspartners i stora delar av landet Dalian Sydkorea Nytt projekt, kr över fyra år för resor Danmark En doktorand jobbar just nu med experiment på DTU Risö Tyskland Ett gemensamt forskningsprojekt med Jülich Forschungszentrum ligger i startgroparna

58 Tack för mig!