Teknikbevakning av stationära fastoxidbränsleceller (SOFC) Elforsk rapport 11:39

Transkript

1 Teknikbevakning av stationära fastoxidbränsleceller (SOFC) Elforsk rapport 11:39 Mohsen Assadi Augusti 2011

2 Teknikbevakning av stationära fastoxidbränsleceller (SOFC) Elforsk rapport 11:39 Mohsen Assadi Augusti 2011

3 Förord Denna rapport är framtagen inom projektet Teknikbevakning av bränslecellsområdet under (Elforsk projektnummer 25043). Rapportens huvudsakliga slutsatser presenteras i en slutrapport för hela teknikbevakningsprojektet (Elforsk rapport 11:48). Projektet har till största delen finansierats av Energimyndigheten. E.ON Sverige, Volvo och Vätgas Sverige har bidragit med egeninsatser. Stockholm augusti 2011 Bertil Wahlund Programområde El- och värmeproduktion

4 Sammanfattning Fastoxidbränsleceller (SOFC) har stor potential att nå hög elverkningsgrad vid mycket låga emissioner. SOFCs bränsleflexibilitet och lämplighet för kraftvärmeproduktion gör den intressant som energiomvandlingsteknik för varierande applikationer. Forskning och utvecklingsfrågorna inom SOFC-området har under gångna åren handlat om att: reducering av tillverkningskostnaderna reduktion av prestandadegradering som funktion av drifttid ökad flexibilitet för hantering av snabba laständringar uppskalningstekniken Vad vi kan se idag kommer dessa frågor fortsatt att vara huvudfrågor när det gäller FoU inom SOFC-området. Rapporten avser sammanställa information om det internationella utvecklingsarbetet och utvecklingstrender inom SOFC-tekniken. Man kan se en tydlig trend när det gäller förflyttning av FoU-arbetets tyngdpunkt mot Sydostasien, samtidigt som man kan konstatera en tydlig variation i prioriteringar hos olika aktörer runt om i världen. I Japan till exempel, fokuseras bränslecell utvecklingen på småskaliga SOFCsystem med naturgas som bränsle, medan i USA vill man få fram storskaliga lösningar med förgasat kol som bränsle. Integrerade trycksatta system med gasturbin och bränsleceller har visats vara svåra att realisera, speciellt när det gäller uppskalning till större enheter. Trots skillnaderna i prioritering hos olika aktörer, kommer listan över FoUfrågor som presenterats ovan att vara aktuell även i närmaste framtiden.

5 Summary High temperature fuel cells (SOFC) have potential to rich high electrical efficiency at low emission levels. Their fuel flexibility and suitability for combined heat and power (CHP) application make them a strong candidate as future energy conversion technology. For the past years, major R&D topics within the SOFC area have been: reduction of production and manufacturing costs reduced performance degradation improved capability for rapid load change development of up scaling technique The listed topics will continue to be the major R&D driver in coming years. This report summarizes the status of the international SOFC development activities. One of the observable trends is that the R&D activities in the field of SOFC are moving over to Southeast Asia region. It is also clear that different international actors have different focus areas. In Japan R&D activities in the field of fuel cells are focused on small scale applications with natural gas as main fuel, while in USA large scale applications with gasified coal as main fuel are the major focus. Pressurized integrated systems based on gas turbines and fuel cells are still under development and will not be commercially available in near future. Despite the observed variation in R&D goals and focuses, the list of topics and issues presented above will be valid for the years to come.

6 Innehåll 1 Stationära fastoxidbränsleceller (SOFC) Beskrivning av tekniken Design alternativ för SOFC Teknikbevakning SOFC-utvecklingen i USA Bloom Energy SOFC-utvecklingen i Kanada SOFC-forskning inom EU Tyskland Danmark SOFC-utveckling i Asien Japan Korea Framtida utveckling 22

7 1 Stationära fastoxidbränsleceller (SOFC) Bränsleceller har stor potential att nå hög elverkningsgrad vid mycket låga emissioner och detta även i småskaliga anläggningar, vilket gör bränslecellen till stark kandidat för småskalig kraftvärmeproduktion i den avreglerade energimarknaden. En annan viktig fördel, som är specifik för högtemperaturbränsleceller och i synnerhet fastoxidbränsleceller (SOFC), är deras bränsleflexibilitet. Högtemperaturbränslecellernas bränsleflexibilitet är en direkt följd av deras inre bränslereformeringsförmåga, vilket gör dem till lämpliga energiomvandlingstekniker med biogas som bränsle. Forskning och utvecklingsarbetet var tidigare uppdelat mellan modellering och test av hårdvara. Tanken var att utveckla datorbaserade modeller som kunde valideras m.h.a. mätdata från testanläggningar, som kunde sedan användas för parameter studier för att optimera system designen. Institutionen för Energivetenskaper, vid Lunds Universitet, har under ett flertal år bedrivit forskning inom fastoxidbränslecellteknikområdet. Bränslecellforskningen på institutionen har varit fokuserad på stationära tillämpningar för samtidig eloch värmeproduktion, d.v.s. kraftvärme, där ett validerat simuleringsprogram har utvecklats i samarbete med internationella partner, med kapacitet att simulera såväl stationära som dynamiska driftförhållande. Den nuvarande utvecklingstrenden domineras av produktutveckling för kommersiellt bruk, snarare än teoretiska potentialstudier. För att svenska forskargrupper ska kunna spela en viktig roll i fortsättningen, krävs satsning på experimentell verksamhet på både komponent och system nivå. Kostnaderna för fastoxid bränslecell system fördelar sig i nästan tre lika stora delar på bräsnlecell stack, hjälpsystem och strömriktare (converter), där strömriktaren används för att omvandla likström (DC) från stacken till växelström (AC). Svenska stålföretag är leveratörer av bipolära plattor som används i bränslecelll stacken och företag som ABB är stora leverantörer av strömriktare som skulle kunna ta marknadsandelar i en framtida bränslecell marknad. Under år 2010 har professor Mohsen Assadi från LTH deltagit i bevakningsprojektet. Prof. Assadi har också deltagit i internatinella konferenser och möten arrangerade av International Eenergy Agency (IEA) SOFC-annex i syfte att rapportera till här aktuella teknikbevakningsprpojektet. 1.1 Beskrivning av tekniken Bränsleceller har stor potential att nå hög elverkningsgrad vid mycket låga emissioner och detta även i småskaliga anläggningar. Fastoxidbränsleceller (SOFC) som arbetar vi höga temperaturer mellan 750 C och 1000 C, erbjuder 1

8 Anode Cathode ELFORSK dessutom stor bränsleflexibilitet och kan användas med såväl naturgas som biogas. SOFC består av anod, katod och fastoxid-elektrolyt. Syre i luften joniseras vid katoden och transporteras genom elektrolyten. Vid reaktion med vätgas på anodsidan frigörs elektroner och värme samtidigt som vattenånga bildas. Figur 1 visar funktionssättet hos SOFC. Figur 1: Funktionssättet hos fastoxidbränslecell Bränslecellstacken kan arbeta antingen vid atmosfärstryck (stand alone) eller i trycksatt tillstånd, då i kombination med en gasturbin (hybrid plant). Figur 2 visar exempel på standardutförande för atmosfäriskt bränslecellsystem. Som det framgår av figuren, krävs ett antal komponenter (balance of plant components (BoP)) och kringutrustning för att få SOFC systemet att fungera. Air Biogas/DME Fuel Processor SOFC Water for start-up Catalytic burner Heat Recovering System Opti on for connecti on to Biogas producti on uni t Figur 2: Atmosfäriskt SOFC system för samtidig el- och värmeproduktion (CHP) 2

9 SOFC-systemets effekttäthet och verkningsgrad kan förbättras genom trycksättning. Därför har hybridkonceptet där SOFC trycksätts med hjälp av en gasturbin utvecklats. Figur 3 visar schematiskt hybridsystemets uppbyggnad. Figur 3: Hybridsystem med SOFC och gasturbin Den senaste utvecklingstrenden för hybrida anläggningar är att värmeväxlare och fläktar byts ut mot ejektorer som kombinerar dessa funktioner, och därmed minskar investeringskostnaderna och förbättra funktionen. Figur 4 visar hybridsystem med ejektorer som ersätter värmeväxlarna i hybrid anläggningen presenterad i figur 3. Bilden härstammar från EU-projektet Large SOFC, med VTT som koordinator. Figur 4: Hybridsystem med ejektorer 3

10 1.2 Design alternativ för SOFC Det finns två huvudgrupper av SOFC design, tubformiga och plana bränsleceller. Båda har för- och nackdelar. En viktig fördel med tub design är enklare tätning jämfört med plana bränsleceller. Nackdelen med tub design är dess övre gräns gällande systemstorlek och dess högre produktionskostnad. Plana celler är svårare att täta men mer flexibla när det gäller systemstorlek. Figur 5 och 6 visar den principiella uppbyggnaden av tubformade, resp. plana celler. Figur 5: Tubformig SOFC Figur 6: Plan SOFC 4

11 2 Teknikbevakning Forskning och utveckling inom SOFC-området har fokuserats dels på utveckling av mellantemperatur celler (intermediate temperature SOFC) för att reducera kostnaden och öka flexibiliteten, och dels på långtidstester för att kartlägga degraderingen och öka tillförlitligheten för tekniken för att underlätta kommersialiseringen. Huvud frågorna kring SOFC-systemens kommersialisering är fortsatt kostnadsreduktion, robusthet när det gäller varierande driftförhållanden, uppskalning, samt långtidsdegradering. Trots lovande testresultat från uppskalningsförsök presenterade vid tidigare SOFC-konferenser, är sannolikheten för kommersiell introduktion av SOFC-system större än 10 kw under närmaste åren rätt så begränsad. Man kan också notera att flera storindustrier som General Electric, Siemens och BMW lämnar bränslecellutvecklingen samtidigt som fler småföretag specialiserar sig inom bränslecelltekniken och antalet aktiva universitet och forskningsinstitut som ägnar sin FoU åt bränslecelltekniken ökar. Det har satsas på helmetalliska SOFC både inom EU och i sydost Asien. Genom att ersätta spröda keramiska komponenter med formbara metalliska konstruktioner vill man undvika sprickbildning vid last- och temperaturskifte. Problemet är krom och nickel vandringen vid den höga drifttemperaturen som leder till snabb degradering. Annars arbetas fortsatt med utveckling av mellantemperatur celler (IT-SOFC) med fokus på reducerad drifttemperatur vid bibehållen prestanda. Man har kunnat demonstrera SOFC-stack med acceptabel elverkningsgrad som arbetar vid ca 800 C. Men det är fortfarande en bit kvar till arbetstemperaturer på 650 C som brukar anges som mål för IT-SOFC design. Risö rapporterade om mycket lovande testresultat från helmetalliska SOFC under årets bränslecellkonferens i Montreal, Canada. Teknikutvecklingen inom bränslecellområdet har dominerats under senare decennier av USA, Japan och EU. Man kan dock konstatera en geografisk förskjutning på senare år där länder som China, Sydkorea och Australien har fått allt starkare roll. I följande avsnitt presenteras teknikutvecklingen översiktligt i ett globalt perspektiv. 5

12 2.1 SOFC-utvecklingen i USA Den allmänna uppfattningen hos marknadens aktörer och de amerikanska elproducenterna har varit att den amerikanska marknaden inte lämpar sig för distribuerad elproduktion, vilket kräver storskaliga SOFC-anläggningar som kan drivas med förgasad kol som bränsle. Utveckling av kostnadseffektiva SOFC system med hög verkningsgrad och låga CO2 utsläpp där förgasad kol användes som bränsle är därför huvudmålsättningen för det amerikanska FoU programmet SECA. I det senaste DoE presentationen har man också fört farm distribuerad elproduktion, som är oberoende av elnätet, som delmål för SECA programmet. Figur 7: En sammanfattande bild över SECA programmets mål Figur 8 nedan visar konceptuella systemlösningen för DoEs atmosfäriska SOFC baserade kraftverksanläggning (källa: DoE) Figur 8: Konceptuell systemlösning för atmosfärisk SOFC system Genom trycksättning av SOFC enheten, via integration med en gasturbin, förväntas el-verkningsgraden öka med 3%-enheter till 50% (med CO2 avskiljning och kompression). SECA programmet avser också öka samarbetet mellan industri, universitet och forskningsinstitutioner. Partner för SECA programmet visas i figuren nedan (källa: DoE). 6

13 Figur 9: SECA programmets deltagare Flera av målen för 2010, beträffande kostnader och uppskalning, har kunnat realiseras (se figur 10 nedan). Figure 10: SECA programmets mål för teknisk och ekonomisk utveckling av SOFC stack i 2010 (källa: DoE presentation). 7

14 Figure 11: SECA programmets mål för kommande år (källa: DoE presentation) Bloom Energy Kalifornien baserade företaget Bloom Energy startade utvecklingen av sin plana SOFC för NASAs Mars program med rötter i University of Arizona. En forskargrupp under Dr. KR Sridhars ledning utvecklade Bloom Energys plana SOFC koncept för att skapa hållbar livsmiljö på planeten Mars. Idag marknadsförs standardprodukten ES-5000, en modulbaserad SOFC system, med basmoduler på 100kW som kan leverera eleffekt mellan 100kW och 1MW. ES-5000 kan köras med såväl naturgas som med biogas och bränslebyte kan genomföras under drift. En ES-5000 upptar en yta motsvarande en bils parkeringsplats och väger ca. 10 ton. Den garanterade elverkningsgraden är högre än 50%. Enligt företagets hemsida ( finns idag över 20 MW installerad effekt i drift. Företagen som har installerat Bloom Energys standard product, Bloom Energy Server, är listade nedan: - Bank of America, 500kW installerad effekt - The Coca-Cola Company, 500kW installerad effect - Cox Enterprises, 400 kw installerad effekt - ebay Inc., 500kW installerad effekt - FedEX Corporation, 100 kw installerad effekt - Google Inc., 400 kw installerad effekt - Staples Inc., 300 kw installerad effekt 8

15 - Walmart, 400 kw installerad effekt - Adobe, 1200 kw installerad effekt 2.2 SOFC-utvecklingen i Kanada För att förbättra koordineringen av FoU aktiviteter inom högtemperatur bränslecell området i Kanada har ett nätverk (NSERC Strategic Research Network) bestående av 11 forskningsinstitut och 11 industripartner bildats. Nätverket som leds av Univ. of Calgary, arbetar kring fyra temaområden, bränslebehandling, materialutveckling, systemintegration och metallisk SOFC (se figur nedan). Figur 12: Temaområden för det Kanadensiska nätverket (källa: presentationsmaterial Versa Power Systems) Genom detta samarbete hoppas man kunna mobilisera forskarna och involvera studenterna i FoU arbetet, samt öka kunskapsutbytet mellan företag och forskningsorganisationer i landet. Ett av företagen i detta nätverk är Versa Power Systems. Figuren nedan visar utvecklingen av företagets SOFC stack, som idag används i både SECA-programmet och det finska SOFC programmet som leds av VTT. Pågående tester visar bra resultat avseende degradering. 9

16 Figur 13: Uppskalning av Versa Power Systems SOFC stack (källa: Versa Power Systems presentationsmaterial) Figur 14: Test resultat (källa: Versa Power Systems presentationsmaterial) 10

17 2.3 SOFC-forskning inom EU Europeisk FoU inom SOFC området omfattar både högtemperatur och IT- SOFC, atmosfäriska och trycksatta system, småskaliga och storskaliga liksom stationära och mobila applikationer. Bränslecell forskningsprogrammet inom EU genomgår en utveckling nu där samfinansiering från både privata och statliga organisationer krävs. Detta initiativ presenterades under rubriken Joint Undertaking. Figur 15: Mål för EUs BC-forskning Figur 16: Budget för EUs BC-forskning 11

18 Som det framgår av figur 16, nästan hälften av resurserna ska användas för demonstrationsändamål. Detta för att påskynda kommersialiseringen av bränslecelltekniken. Figur 17: Mål för stationära bränslecellapplikationer Figuren nedan sammanfattar målen för EU finansierade demonstrationsprojekt. Figur 18: Målsättning för EU finansierade demonstrations projekt 12

19 2.3.1 Tyskland Tyskland har satsat betydande resurser i utveckling av bränsle cells produktionskapaciteten. Det nationella programmets mål är att installera 100 BC-anläggningar under Vid 2013 ska antal installerade enheter uppgå till 800. Figur 19: Det Tyska BC-projektet Figur 20: Bränslecell system för det nationella projektet 13

20 Flera företag och forskningsinstitutioner är involverade in det Tyska nationella BC-projektet. HEXIS har ca. 80 enheter i drift med över drifttimmar ackumulerade. Figur 21: HEXIS BC-enheter Ett annat företag som har lagt produktionen av OSFC enheter i Tyskland är den Australienska företaget Ceramic Fuel Cell Limited (CFCL). CFCLs enheter har demonstrerat en uppmätt elverkningsgrad på 60%. I en fallstudie i Australien, Smart Homes, har BlueGen produkten installerats i vanliga bostäder för samtidig el och värmeproduktion. ( Figur 22: CFCL BC-enhet 14

21 Figur 23: Nya BC-relaterade företag i Tyskland Det växer fram nya småföretag i Tyskland som specialisera sig på BC-system, samtidigt som de stora företagen, Siemens och BMW, har avvecklat sina BCaktiviteter. BC-system med biogas som bränsle är ett av satsningsområdena i Tyskland. Figur 24 nedan visar mycket intressanta testresultat med biogas som bränsle. Figur 24: Testresultat med biogas i SOFC system Ett annat utvecklingsområde för SOFC system är hjälpkraft enheter (APU). Figuren nedan visar en sammanställning över det Tyska initiativet kring utveckling av APU. 15

22 Figur 25: Utveckling av hjälpkraftsenhet baserad på SOFC teknik Danmark Det danska bränslecellprogrammet omfattar både låg- och högtemperatur bränsleceller. Samarbetet mellan Risö, DTU, Haldor Topsö och det Finska företaget Wärtsilä har resulterat i produktutveckling och testning med fokus på system degradering. Figurerna nedan visar upplägget för degraderings studier samt tester utförda på DTU-Risö. Figur 26: Upplägg för system degraderingsstudier på DTU-Risö 16

23 Figur 27: Degraderingsstudier på DTU-Risö DTU-Risö har också testat enheter på 20 kw installerade på Wärtsiläs fartyg med goda resultat. Figur 28: Testresultat från 20kW enheten ombord Wärtsiläs fartyg Risö har också rapporterat om intressanta testresultat från metalliska SOFC enheter. 17

24 2.4 SOFC-utveckling i Asien Japan I Japan har man delat upp FoU aktiviteterna i två huvudgrupper, nämligen basteknologi för systemutveckling och systemdemonstration. FoU aktiviteterna har samfinansierats med privata och statliga medel. Figur 29: Finansiering och uppdelning av den japanska FoU programmet Det japanska demonstrationsprogrammet har fokuserats på småskaliga kraftvärmeapplikationer (CHP). En av orsakerna till denna utveckling är att eloch naturgasdistributörer i Japan är skilda företag som konkurrerar om den inhemska marknaden. För gasleverantörerna är småskalig SOFC-baserad CHP en möjlighet att konkurrera med elleverantörerna, där varje hushåll producerar sin egen el och värme lokalt genom att använda naturgasen som bränsle. Figur 16 visar fördelningen mellan värme- och elbehovet i Japanska hem som funktion av tiden. 18

25 Figur 30: Exempel på småskaliga CHP- installationer i Japan Idag finns ett flertal småskaliga anläggningar i drift i Japan, där data från installationerna lagras och analyseras för kartläggning av anläggningsprestanda och degradering. Figur 21 visar ett exempel. Figur 31: Schematisk figur på datainsamling från CHP installationer 19

26 Figur 32: Antal CHP installationer i Japan från 2007 till

27 2.4.2 Korea Förutom Japan och Australien, satsar Korea stort på SOFC. Figur 33: Road Map för SOFC satsningen i Korea Flera företag och organisationer i Korea arbetar med SOFC utveckling, t.ex. KEPCO Research Institute som utvecklar "anode supported" plana celler, Samsung som utvecklar tubformade celler, DGLIO, RIST, KIER och KIST, där alla utvecklar och testar SOFC system på 1 till 10 kw. 21

28 3 Framtida utveckling Reducerad arbetstemperatur resulterar i följande fördelar: - Lägre degraderingshastighet - Lägre korrosionshastighet, speciellt för interconnect-material - Minskad spänning, orsakad av skillnader i termisk expansionskoefficient hos cell- och stack-komponenter - Användning av billigare tätningsmaterial - Användning av billigare metalliska komponenter - Kraftig kostnadsreduktion för systemkomponenter (BoP) Uppskalning av SOFC tekniken har visats vara svårt. Detta beror främst på ojämn fördelning av luft och bränsleflöde genom stacken och över enskilda celler. Ojämn flödesfördelning leder till ojämn temperaturfördelning över cellerna och därmed termiska spänningar som leder till mekanisk utmattning och sprickbildning. Det pågår intensiv test- och utvecklingsarbete på olika håll i världen för att lösa uppskalningsproblemen. Rapporterade testresultat från både 10 och 20 kw SOFC stack visar dock att man har fått kontroll över en hel del av problemen. 22

29 23