Biobränslen för bränsleceller. Elforsk rapport

Transkript

1 Biobränslen för bränsleceller Elforsk rapport Markku Rissanen December 2007

2 Biobränslen för bränsleceller Elforsk rapport Markku Rissanen December 2007

3 Förord Denna rapport är framtagen inom Teknikbevakningsprojektet inom bränslecellsområdet 2007 (Elforsk projektnummer 2502). Rapportens huvudsakliga slutsatser kommer att presenteras i en slutrapport för hela Teknikbevakningsprojektet. Rapporten beräknas vara klar i januari Projektet har finansierats till största delen av Energimyndigheten. EON Sverige och ABB Corporate Research har bidragit med egeninsatser. Stockholm december 2007 Sara Hallert Programområde El- och värmeproduktion

4 Förord av författaren Sverige ligger långt fram internationellt beträffande framställande av biobränslen såsom etanol och biogas. I övriga delar av världen, där förutsättningarna finns, börjar man också inse fördelarna med att ha ett eget bränsle inom landets gränser som dessutom är förnybart. Hittills har inte så mycket aktivitet lagts på att studera kopplingen mellan olika biobränslen och bränsleceller för det stationära bränslecellsområdet i Sverige förutom biogas till viss del. Internationellt börjar bl.a. USA studera detta område och vid Fuel Cell Seminar, i november 2006, nämndes biobränslen åtskilliga gånger, vilket var en trend då det inte nämnts i den omfattningen under tidigare konferenser. Även under år 2007 års Fuel Cell Seminar diskuterades biobränslen flitigt. I Sverige har många inom bränslecellsområdet förespråkat en satsning mot biobränslen då förutsättningarna med mycket råvara till framställningen av biobränslen finns i landet. Hittills har endast laboratorie- och demonstrationstester utförts, bl.a. i GlashusEtt med biogas som bränsle. Denna rapport är tänkt att vara en introduktion till vilka biobränslen, existerande och potentiella, som finns samt i vilka typer av bränsleceller de kan passa. Samtidigt sammanfattas vad som har hänt under det stationära biobränsleområdet under 2007 och vad för framtida utveckling som är att vänta inom området biobränslen och bränsleceller.

5 Sammanfattning Biobränslen i kombination med bränsleceller är en spännande framtida kombination. Speciellt då lokal produktion av användbara bränslen kommer att öka i betydelse. Biobränslen ligger också i tiden med tanke på all diskussion om klimatet och växthuseffekten då biobränslen inte ger något netto-tillskott av koldioxid till omgivningen. Bränsleceller har potentialen av att kunna ge höga verkningsgrader för produktion av el och värme. Tack vare de höga verkningsgraderna ger bränsleceller miljöfördelar då energin används på bästa sätt med högt utbyte vilket leder till mindre CO 2 utsläpp per producerad kwh. Detta gäller speciellt per producerad kwh e då det utmärkande med bränsleceller är den höga elverkningsgraden. Andra miljömässiga fördelar är bl.a. att den inte ger några partikel emissioner samt att inget buller genereras, NOx- och SOxemissionerna är försumbara. Det biobränsle som till dags dato mest har använts i större omfattning till stationära bränsleceller är biogas. Flera stora installationer finns bla. i USA, Japan och Tyskland, detta främst med MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), men även med PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). De viktigaste biobränslena och deras relevans för olika bränsleceller anges i nedan tabell. Bränsle Status idag Kan användas främst i* Biogas Relativt stor tillverkning MCFC,PAFC och SOFC Biodiesel Relativt stor tillverkning MCFC, SOFC, till viss del även PEFC Bioetanol Stor tillverkning DEFC, PEFC, MCFC, SOFC Biometanol Liten tillverkning DMFC, PEFC, MCFC, SOFC DME (Dimetyleter) Liten tillverkning DMFC, PEFC, SOFC Glycerol På forskningsstadiet MCFC, SOFC, RME (Rapsmetyl-eter) Relativt stor tillverkning MCFC, SOFC till viss del även PEFC Förgasning av biomassa På forskningsstadiet MCFC, SOFC ETBE/MTBE (Etyltertiärbutyleter/ Metyltertiärbutyleter) Stor tillverkning - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), DEFC (Direct Ethanol Fuel Cell), PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) MCFC och SOFC har fördelen av att de kan köras direkt på de flesta biobränslena detta underlättar systemdesignen med bl.a. en enklare förbehandling av bränslet. Dock krävs det ofta en gasrening i systemet för att ta bort för bränslecellen skadliga föroreningar i bränslet såsom svavel.

6 Ibland, beroende på vilket biobränsle som används, kan det även finnas behov av en förreformer i bränslecellssystemet, exempelvis då biodiesel används som bränsle. PEFC med vätgas som bränsle är relativt billigt idag, men med ex. naturgas eller förädlad biogas som bränsle och reformering i bränslecellssystemet är det dock dyrt. Så har det varit ett antal år och ingen trend syns att PEFCbränslecellssystem med reformering skulle komma ner avsevärt i pris. Därför är MCFC idag och SOFC på sikt ett både bättre, rent tekniskt, och ett ekonomiskt billigare alternativ. MCFC är redan idag konkurrenskraftigt gentemot konventionell teknik som gasmotorer med bl.a. biobränslen som bränsle. Under 2007 har bilden förstärkts av att intresset för biobränslen inom bränslecellsområdet ökar. Detta med god draghjälp av klimatfrågorna och växthuseffekten. Bl.a. märktes detta under årets Fuel Cell Seminar, den viktigaste årliga bränslecellskonferensen. Många bl.a. USA ser fördelarna med att ha ett bränsle inom landets gränser istället för att importera olja från utlandet. Applikationerna inom biobränsleområdet för bränsleceller under året är främst kommersiella stationära installationer med smältkarbonatbränsleceller (MCFC) på > 250 kw, flera i USA och en i Tyskland. Positiva signaler har också delgivits under året från MCFC-tillverkarna FCE (Fuel Cell Energy) och CFC Solutions om högre prestanda runt 20-30% och kommande lägre kostnader för systemen för år Beträffande demonstrationsanläggningar om har startats under 2007 så har vi i Sverige projektet i GlashusEtt där en SOFC (3 kwe) från Acumentrics körs på biogas. En andra liknande enhet från Acumentrics såldes även till Spanien under andra halvan av 2007 för att köras på deponigas/biogas från en soptipp. Dessa båda projekt är långt framme internationellt då kombinationen SOFC och biobränslen inte ännu är så väl undersökt. Under året ses även en trend att man försöker finna andra nya, billiga biobränslen. Bränslen som bl.a. inte strider mot andra användningsområden. Ett exempel på detta är glycerol. Detta för att konkurrensen om råvaran börjar hårdna pga. efterfrågan, varvid priset påverkas. Behovet av framtida FoU-insatser kommer således att öka. Sverige har idag redan en stark ställning internationellt inom biobränsle-området, där man bl.a. studerar framställningen av olika bränslen både i lite och stor skala. Biobränsle-kunnandet finns således, däremot krävs mer insatser på att studera fler alternativa bränslen samt speciellt studera kopplingen mellan biobränslen och bränsleceller teoretiskt och praktiskt. Exempelvis vore en något större kommersiell anläggning ett intressant projekt för nå ut till fler aktörer och potentiella användare om att tekniken finns. I detta projekt kan även högskola/universitet delta för mer praktiska studier. Från Energimyndighetens sida skulle stödfinansiering i ett sådant projekt vara välkommet för att få igång en referensanläggning.

7 Summary Biofuels in combination with fuel cells is an exiting future combination. Especially as local production with nearby materials will increase in importance. Biofuels are also in focus due to the discussions about the climate change and the greenhouse effect as biofuels does not give any net CO2 addition to the atmosphere. Fuel cells have the potential of being able to deliver high efficiencies for the production of electricity and heat. As a result of the high efficiencies fuel cells give environmental advantages as the energy is used in the most efficient way giving less CO 2 emissions per produced kwh. This is valid especially per produced kwh e as the differential with fuel cells is the high electrical efficiency. Other environmental benefits are e.g. that it does not give any particulate emissions, no noise and that NOx- and SOx-emissions are negligible. The biofuel that until today has been most in stationary fuel cells is biogas. Several large exist e.g. in USA, Japan and Germany, where mostly MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) has been used, but there are also some biogas installations with PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). The most important biofuels and their relevance for different fuel cells are given in the table below. Fuel Status today Can mainly be used in* Biogas Quite large production MCFC och SOFC Biodiesel Quite large production MCFC, SOFC, till viss del även PEFC Bioethanol Large production DEFC, PEFC, MCFC, SOFC Biomethanol Small production DMFC, PEFC, MCFC, SOFC (Dimethyl- DME eter) Small production DMFC, PEFC, SOFC Glycerin In research level MCFC, SOFC, RME (Rape methyl ester) Gasification biomass of ETBE/MTBE (Ethyl tertiary butyl eter/ Methyl tertiary butyl eter) Quite large production In research level Large production - MCFC, SOFC till viss del även PEFC MCFC, SOFC * DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), DEFC (Direct Ethanol Fuel Cell), PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) MCFC and SOFC have the advantage of that they can be operated directly with the most biofuels this facilitates the systemdesign with e.g. a more simpler pretreatment of the fuel. However, most often a gas cleaning is

8 needed in the system to remove harmful contaminants for the fuel cell. Sulphur is such a contaminant. Sometimes, depending on which biofuel is used, there is also a need of a prereformer in the fuel cell system, for example when biodiesel is used as fuel. PEFC with hydrogen as fuel is relatively cheap today, with e.g. natural gas or refined biogas as fuel and reforming in the fuel cell system it is, however, quite expensive. It has been like this for some years and there is no trend that PEFC fuel cell systems with reforming would get down in cost. For this reason MCFC is today, and SOFC in the future, a both technically and economically better alternative. MCFC is already today competitive when compared to conventional technology as gas engines with e.g. biofuels as a fuel. During year 2007 the focus towards biofuel usage in fuel cells has increased. This with help from the discussions about the climate change and the greenhouse effect. This was e.g. noticed during this year s Fuel Cell Seminar, the most important yearly fuel cell conference. Many e.g. USA see the benefits with having a fuel within the country instead of importing oil from abroad. The applications within the biofuel area for fuel cells have during year 2007 mainly been in commercial stationary installations with MCFC with a power output > 250 kw, several in USA and one in Germany. Positive signs have also been given from the MCFC-manufacturers FCE (Fuel Cell Energy) and CFC Solutions about an increased performance of about 20-30% and future lower cost for the systems in year With regards to demonstration installations started during 2007 we in Sweden have the project in Hammarby Sjöstad/ GlashusEtt where a SOFC (3 kwe) from Acumentrics is operated on biogas. Another similar unit from Acumentrics was also sold to Spain during the second half of 2007 to be operated on landfill gas. These both project are state-of-the-art international projects on the subject SOFC combined with biofuels as this area is not that well exploited. During the year there has also been a trend towards finding other new, cheap biofuels. Fuels that for example do not interfere with other areas of use. An example on this is glycerin. This is due to the fact that the competition of the raw material has started to increase as demand has increased, which means higher prices. The need of future R&D in the area will increase. Sweden has today already a strong international position in the biofuel area, where e.g. biofuel production is studied in both small and large scale. The biofuel know-how is there already, however, more efforts are needed on studying other alternative fuels and especially to study the connection between biofuels and fuel cells, both theoretically and practically. For example a somewhat larger commercial installation would be an interesting project to reach out to several players and potential end users that the technology exists. In this project the institutions/universities could also participate for more practical studies. From the Swedish Energy Agency a cofinancing of such a project would be most welcome to get a reference plant in operation.

9 Innehåll 1 Bakgrund 1 2 Syfte och mål 3 3 Beskrivning av tekniken 4 4 Biobränslen Biodiesel Biogas DME (Dimetyleter) Etanol Förgasning av biomassa Biometanol Glycerol ETBE /MTBE RME Bränsleceller PEFC DMFC/DEFC PAFC AFC MCFC SOFC Fordonsgas kontra el 35 7 Teknikbevakningen under Framtida utveckling 37 9 Slutsatser Referenser 39

10 1 Bakgrund Biobränslen är den generella termen för alla typer av biomassa-baserade bränslen. Biobränslen produceras bl.a. syntetiskt från kolväte-källor som traditionella grödor som vete, raps, sockerrör, dedikerade energi-grödor som pilträ, halm, poppel eller energigräs, cellulosa, samt jordbruks- och biologiskt avfall (ex. gödsel). Biobränslen framställs efter olika storskaliga, (eller småskaliga), raffinaderi processer, såsom anaerob rötning, termisk förgasning eller förvätskningsprocesser som Fischer-Tropf. Denna rapport studerar de bränslen som finns och hur de kan passa ihop med bränsleceller. Det är viktigt att bränslena är producerade från vegetabiliska organiska material, som därför innehåller kol som har tagits upp av exempelvis plantan från atmosfären. I och med detta blir biobränslet CO 2 neutralt. Se figur 1 för en översiktlig bild av vägen från planta till bränsle. Figur 1: Från solljus och planta till biobränsle. Många olika konceptuella integrerade system är möjliga beroende på det bränsle som man vill ta fram. I många fall liknar bioraffinaderi -koncepten de som används inom petrokemin, men med skillnaden att de är förnybara och att de inte ger något nettotillskott av CO 2 till atmosfären. Flera biobränslen kan användas som alternativ till, eller i kombination med, vanliga fossila bränslen såsom bensin och diesel. Därför förekommer diskussionerna om biobränslen främst inom fordons-industrin men biobränslena är även intressanta för stationära ändamål inom kraftvärme. Potentialen för biobränslen är stor. I t.ex. Europa och USA finns över 800 jordbruksbaserade och över industriella rötanläggningar för att producera biogas (1). År 2006 uppgick biogasproduktionen till närmare 1

11 5.3 miljoner ton olje-ekvivalenter, en ökning med 13.6% jämfört med år 2005 (2). Sveriges andel av dessa totalt ktoe (kilo ton olje-ekivivalenter) var 33.3 ktoe. Detta kan jämföras med Tyskland som producerade ktoe och England med ktoe. Dessa två länder är de som producerar mest biogas inom EU. Denna studie undersöker hur bränsleceller kan köras på biobränslen. En bränslecell är som ett evigt batteri som inte tar slut eftersom det hela tiden tillförs bränsle. Ur ett bränslecellssystem får man elektricitet och värme. Det finns olika typer av bränsleceller beroende på vilken typ av elektrolyt som man använder i själva bränslecellsstacken. De olika bränslecellerna körs också vid olika temperaturer och med olika material vilket medför att olika biobränslen passar till olika bränslecellstyper. 2

12 2 Syfte och mål Detta uppdrag syftar till att göra en sammanställning i rapportform av: Status för framställning av olika biobränslen i Sverige, såsom etanol, biogas, RME (Rapsmetyleter) m.fl. Sammanfatta de olika bränslenas lämplighet, fördelar och nackdelar för bränsleceller. Studera erfarenheter från demonstrationsanläggningar där biobränslen har använts som bränsle till bränsleceller. Undersöka det svenska och internationella aktuella läget och trenderna för biobränslen med tanke på bränsleceller. Målet är att informera olika intressenter med intresse för området om bl.a. vilka biobränslen som finns att tillgå, vilka är under utveckling och vilka bränslen som lämpar sig för stationära bränsleceller. Denna informationsdelgivning görs via denna skriftliga rapport. Denna rapport kan sedan med fördel publiceras på Elforsks hemsida för vidare spridning. 3

13 3 Beskrivning av tekniken Rent tekniskt så kan biobränslen användas som bränsle i bränsleceller. Själva biobränslet behöver dock vidareförädlas/ göras om oftast genom s.k. reformering innan den kan användas i ett bränslecellssystem och sedan i själva bränslecellsstacken. Hur biobränslet behöver reformeras beror på vilken typ av bränslecell som skall används för bränslet. Vanligt är att biobränslet görs om till metan (CH 4 ), vätgas (H 2 ), metanol eller etanol. Tabell 1 nedan visar de mest frekvent använda bränslecellstyperna och deras huvudsakliga bränsle som tillförs bränslecellsstacken. Tabell 1: Olika bränslecellstyper, ungefärliga prestanda och huvudsakligt bränsle som tillförs bränslecellsstacken. Typ bränslecell Elverkningsgrad, Elverkningsgrad, system Totalverkningsgrad*, system Arbetstemperatur [ C] Bränsle Effekt densitet [kw/kg]** AFC 70% 60% 80-85% Vätgas 0,02-0,03 PEMFC /PEFC 50-65% 40-55% 80-85% Vätgas 0,15-0,30 DMFC 50-65% 30-40% Vätgas/ metanol PAFC 55% 40% 85% Naturgas (metan) MCFC 65% 50% 85% Naturgas (metan) SOFC 60-65% 55% 80-85% Naturgas (metan) 0,04-0,06 0,04-0,06 0,05-0,07 0,03-0,07 * el och värme ** för bränslecellsstacken De biobränslen som diskuteras mest för användning i bränsleceller för användning idag och framtida sådan beskrivs i kapitel 4. Sedan presenteras tekniken bakom de olika bränslecellerna i kapitel 5 och hur de passar ihop med biobränslen samt vilka biobränslen som har diskuterats eller testats i kombination med den aktuella bränslecellstypen. 4

14 4 Biobränslen Det finns ett antal olika alternativ till biobränslen för användning i bränsleceller. Detta kapitel beskriver de främsta alternativen. Biobränslen kan delas in i två olika huvudkategorier: - konventionella eller första generationens biobränslen. Dessa bränslen kan idag produceras med kommersiella metoder. Deras CO 2 emissioner är idag ca. hälften av den för fossila bränslen, då tillverkningen av bränslet och ursprungsgrödan kräver energi. De mest betydande första generationens biobränslen är; biodiesel, rena vegetabiliska oljor (som RME) och bioetanol från bl.a. sockerrör och stärkelse. - avancerade eller andra generationens biobränslen. Dessa biobränslen innehåller avancerade tillverkningsteknologier med vilka lågvärdiga jorbruksgrödor och rester kan konverteras till bränslen. Detta gör deras CO 2 reduktion mycket bättre, då mindre energi gåt åt. Alla dessa tillverkningsprocesser är inte fullt kommersiellt utvecklade, varför alla bränslen ej heller är kommersiella. Bränslen här är Fischer-Tropsch diesel, bioetanol från lignocellulosa, biometanol, bio-dme, biogas, gas innehållande metan och vätgas från förgasning av biomassa. Biobränslen kan generellt anses ha följande fördelar: Miljövänlig ekologisk-cykel Lokalt producerad Inget netto-tillskott av CO 2 till miljön En diskussion som pågår är vad för grödor som är bäst ur arealsynpunkt att odla, dvs. vad som ger mest energi. Tabell 2 visar en sådan studie från Belgien (3). Tabell 2: Energi utbyten av olika grödor i Flandern (Belgien) (3). Studien visar t.ex. att sockerbetor och pilträ/poppel ger bra energiutbyte energimässigt jämfört med exempelvis raps. 5

15 Det finns ett antal olika biobränslen som diskuteras. I tabell 3 redovisas de biobränslen som berörs i denna rapport. Utöver dessa finns säkerligen fler alternativ, men de nedan är dessa som diskuteras främst. Tabell 3: Olika biobränslen som tas upp i denna rapport. Bränsle Typ Molekylformel (medel) Molekylvikt (g/mol) H/C kvot (Mol) Specific gravity (kg/l) Värmevärde* (MJ/kg) Biodiesel vätska C 19 H 36 O Bioetanol vätska C 2 H 5 OH Biogas gas CH 4 (metan) (65% kg/m 3 metan) Biometanol vätska CH 3 OH DME (Dimetyleter) vätska C 2 H 6 O Glycerol vätska C 3 H 8 O RME (Rapsmetyleter) vätska se biodiesel se biodiesel se biodiesel se biodiesel se biodiesel Förgasning av biomassa syntesgas ETBE/MTBE vätska/vätska C 6 H 14 O/ C 3 H 12 O 102/64 2.3/ / /35 * som jämförelse; värmevärdet för bensin är 44 MJ/kg Respektive biobränsle diskuteras vidare i delkapitel nedan. 4.1 Biodiesel Tillverkningen och användningen av biodiesel har ökat mycket världen över de senaste åren. I USA ökade användningen trefalt från 2005 till 2006, se figur 2. 6

16 Figur 2: Efterfrågan på biodiesel i USA de senaste åren. (Källa FCE Fuel Cell Energy) För biodiesel används internationellt förkortningen FAME (Fatty Acid Methyl Ester= Fettsyrametylestrar), en grupp av ämnen där bl.a RME (Rapsmetylester) ingår, se kap. 4.9 för separat diskussion om RME. Biodiesel är därmed till 100% baserad på vegetabiliska oljor även om namnet diesel används. Man använder även återvunnen matolja etc. från restauranger. För närvarande produceras biodiesel från grödor bl.a. i Europa och USA. Biodiesel-molekylerna är enkla kolväte-kedjor utan svavel, ring-molekyler eller aromater associerade till fossila bränslen. Biodiesel innehåller nästan 10% syre vilket gör den till ett naturligt oxygenerat bränsle. Fördelarna med biodiesel är att den nästan är svavel-fri, max. 15 ppm svavel (4), samt att den inte innehåller några aromatiska kolväten. Flampunkten är också relativt hög > 148 C jämfört med 63 C för vanlig diesel. Den är inte toxiskt och är biologiskt nedbrytningsbar. Detta medför att den är enklare och säkrare att lagra och hantera än vanlig fossil diesel. Biodiesel har också testats för bl.a. PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell polymerelektrolyt-bränsleceller). Där finns några alternativa vägar att göra om biodieseln till vätgas för användning i bränslecellsstacken. Två sådana visas i figur 3. 7

17 Figur 3: Två alternativa vägar att använda (bio)diesel i PEFC/PEMFC. (DeS = Desulfurization, ATR = Autothermal reforming, WGS = Water Gas Shift, PrOx = Partial Oxidation, Pre-ref = Prereformer, SR = Steam Reforming och PSA = Pressure Swing Adsorption). FCE (Fuel Cell Energy) har bland annat utvärderat biodiesel från sojabönor för sina MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell smältkarbonat-bränsleceller). Figur 4 visar det system som FCE har använt för sina tester med biodiesel. Från förreformern (prereformer i figuren) har FCE erhållt ca. 22 mol% vätgas och 49% metan (bägge torrvikt). Figur 4: Bränslecellssystem med biodiesel enligt FCE (5). Data från FCE:s tester med biodiesel ges i tabell 4 nedan (5). 8

18 Tabell 4: DFC (Direct Fuel Cell) med biodiesel som bränsle. FCE:s tester gav att biodiesel kan förreformeras till en gas med högt metaninnehåll som sedan kan internreformeras i deras bränslecellssystem, där verkningsgraderna är på samma nivå som då naturgas används som bränsle. Biodiesel har även testats i SOFC (Solid Oxide Fuel Cell fastoxidbränsleceller) som är en annan typ av högtemperaturbränsleceller. Dock är dessa tester i försöks- och laboratorie-skala. Fordonstillverkare, som Volvo, diskuterar även att använda andra oljeestrar, som SME (soyaoljemetylester) och LME (laxoljemetylester). Oftast blandar man in en del av dessa oljeestrar i vanlig diesel. Tekniskt ger det inga större problem, bara man håller sig till den standard och renhetskrav som finns för fettsyremetylestrar. 4.2 Biogas Produktion av biogas med hjälp av anaerob rötning är redan en etablerad teknik som används över hela världen. Utgångsmaterialet kan vara alltifrån bilogiskt avfall, grödor till gödsel. Dock finns stor potential fortfarande framförallt till mer storskalig produktion och att göra mer energi ur avfall. I Sverige produceras en hel del biogas som främst används som fordonsbränsle eller förbränns i gasmotorer för att producera el. På en del platser skickas även biogasen (renad och uppgraderad) in i naturgasnätet. Andra källor för biogas är soptippar, s.k. landfill gas där rötning sker naturligt i det organiska materialet och där gasen tappas av från soptippen. En annan stor producent av biogas är vattenreningsverk där biogas rötas. En del reningsverk studerar inblandning av exempelvis restaurangavfall för att öka biogasproduktionen. 9

19 Rågasen/biogasen från rötanläggningarna innehåller oftast kring 60% metan. Denna renas för det mesta på plats för att den skall kunna användas till olika ändamål, såsom fordonsgas. Den förädlade Biogasen kan då innehålla runt 97% metan, vilket gör den lämplig för många bränslecellssystem, då den liknar naturgas som är ett bränsle som har studerats mycket i bränslecellssammanhang. Lämpliga tekniker är PEFC, AFC (Alkaline Fuel Cell alkaliska bränsleceller), PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell- fosforsyrabränslecell), MCFC och SOFC. Av dessa har MCFC fördelen att den tål kraftiga variationer i metan- och koldioxidinnehåll i biogasen. Tester med bra resultat har gjorts med upp till 80% CO DME (Dimetyleter) DME (Dimetyleter) är en lättflyktig vätska vid tryck över 5 bar eller temperaturer under -25 C, vid rumstemperatur är den en gas. Sannolikt kommer DME att användas som en vätska vid 5-10 bar. Produktion av bio- DME är mycket lik den som man använder för att framställa bio-metanol. Bio- DME kan produceras direkt från syntesgas, vilket dock fortfarande är under utveckling. I kemi-industrin produceras DME från ren metanol genom en process som kallas katalytisk dehydrering, vilken kemiskt separerar vatten från metanol. Bio-metanolen kan t.ex. produceras från biomassa. Ofta kombinerar man produktionen av metanol och DME i en process. DME är främst tänkt som bränsle för fordon som alternativ till diesel. DME har testats i bl.a. DMFC, PEFC och SOFC, inte i någon större omfattning men mest för att se om det fungerar. Till skillnad mot bioetanol och biometanol så är DME inte korrosivt, men den kan påverka vissa plaster, elastomerer eller gummi. En annan fördel gentemot metanol är att DME ej är giftigt. DME har en relativt hög densitet och då den är vätskeformig så kan den lagras vid låga tryck (ca. 5 atm). Med DME slipper man på detta sätt att pumpa in bränslet i en DMFC då det är lättflyktigt men man har fortfarande möjligheten at att lagra en bränslet som en vätska. Man kombinerar på detta sätt fördelarna med vätgas som bränsle i PEFC och metanol som bränsle i DMFC. En PEFC/PEMFC som drivs med bio-dme har en av de lägsta emissionerna av växthusgaser relativt en diesel motor. Detta visas i en studie av IFEU institutet (6) där växthusgas-balansen mellan olika bränslecellslösningar och konventionella dieselmotorer jämfördes, se tabell 5. Mycket av slutresultatet beror på bränslekedjan, dvs. hur bränslet framställs. 10

20 Tabell 5: Jämförelse av emissioner av växthusgaser från dieselmotorer jämfört med några bränslecellsslösningar (6). Fuel chain GHG emissions relative to diesel engine (=100%) H 2 -Fuel Cell-PC, Compressed Gas. H 2 from natural gas, centrally located reformer (big) 87 % H 2 -Fuel Cell-PC, Compressed Gas. H 2 from natural gas, non-centrally located reformer 100 % H 2 -Fuel Cell-PC, Liquid H 2 from natural gas, centrally located reformer (big) 140 % H 2 -Fuel Cell-PC, Liquid H 2 from regenerative electricity 1 % Methanol-Fuel Cell-PC (PEMFC), MeOH from natural gas 113 % DME-Fuel Cell-PC (PEMFC), DME from natural gas 114 % Methanol-Fuel Cell-PC (PEMFC), Biomethanol 14 % DME-Fuel Cell-PC (PEMFC), BioDME 14 % Ethanol-Fuel Cell-PC (PEMFC), Bioethanol 29 % Resultaten visar att endast de bränslekedjor som startar från förnybara källor ger en kraftig fördel jämfört med diesel. Studier kring kombinationen DME och SOFC (7) har bl.a. visat att det fungerar bra. Man testade bl.a. ren DME, DME+luft och DME+kvävgas. Bäst resultat erhölls för DME+luft, vilket förklarades med att syre i luften påskyndade nedbrytningen av DME till vätgas (H 2 ), kolmonoxid (CO) och metan (CH 4 ). 4.4 Etanol På en världsbasis är bioetanol det vanligaste biobränslet. Den produceras från socker-innehållande jordbruksprodukter såsom sockerrör (Brasilien) och majs (USA), vete, sockerbetor, restprodukter från socker-tillverkning och sockerdurra. Den dominerande teknologin för att konvertera biomassa till etanol är fermentering, vilket är en mogen bio-kemisk teknologi. I processen bryts biomassan ner av mikroorganismer (bakterier eller enzymer). Därefter tillsätts jäst för att konvertera det socker som finns i biomassan till alkohol. Slutligen destilleras och torkas etanolen så att en högre koncentration av alkoholen erhålls. Etanol kan även tillverkas från lignocellulosa, flis och liknande trämaterial. Det anses som en framtida alternativ tillverkningsmetod för etanol-tillverkning. Sverige ligger här långt framme i utvecklingen med bl.a. demonstrations- och försöksanläggningar inom tekniken. Främst är priset på cellulosa-produkter intressant jämfört med grödor som vete, majs och liknande, speciellt om man 11

21 kan använda restprodukter. Därutöver är användningen av lignocellulosa mer attraktivt med tanke på energibalans och emissioner. Lignocellulosisk-biomassa består av tre komponenter, cellulosa, hemicellulosa som båda kan konverteras till socker, och en icke-fermenterbar fraktion som kallas lignin. Den senare kan användas för att producera el och värme i form av pellets. Fastän nedbrytningen av materialet till fermenterbart socker är mer komplicerat, så är fermenteringen, destilleringen och torkningen nästan identiska jämfört med bioetanol från jordbruksgrödor. Olika processkonfigurationer är möjliga för produktion av etanol från cellulosa men den mest vanliga metoden kombinerar hydrolys av cellulosa och fermentering av socker (med 5 och 6 kol-ringar) i samma reaktor. I en mer avancerad process, som kommer att kräva ännu mer utveckling, sker enzym-produktion, hydrolys och fermentering i samma kärl. En tredje teknik för att producera etanol från trämaterial är förgasning av biomassa följt av fermentering till etanol genom användande av anaeroba bakterier. Detta eliminerar behovet av hydrolyssteget för att bryta upp cellulosan och hemicellulosan. Vidare kan man i denna process konvertera ligninet till etanol. Denna process är i laboratoriestadiet. En annan process under utveckling är förgasning av biomassa kombinerat av katalytiska processer för att producera etanol. Denna process studeras mest i USA. Här behövs mer FoU kring förgasningsprocessen och utveckling av katalytiska material. Bland nackdelarna med etanol kan nämnas att den kan vara korrosiv gentemot vissa plaster och metaller. FCE har studerat bioetanol som ett alternativt bränsle i sina MCFC-enheter, se processbild i figur 5 Data från dessa studier med bioetanol ges i tabell 6 (5). Figur 5:Bränslecellssystem med etanol som bränsle. Från förreformern har FCE visat ca. 40 mol% vätgas och 35% metan (bägge torrvikt). 12

22 Tabell 6: DFC (Direct Fuel Cell) med etanol som bränsle. Testerna från FCE gav slutsatsen att etanol kan förreformeras till en gas rik på metan som kan internreformeras i deras bränslecellssystem. Vidare gav testerna att etanol kan ge verkningsgrader i paritet med då naturgas används som bränsle i en MCFC. På liknande sätt, genom reformering kan etanol även appliceras i PEFC, PAFC och SOFC. I det förstnämnda fallet behöver dock gasen renas en hel del innan den tillförs bränslecellsstacken. 4.5 Förgasning av biomassa Förgasning av biomassa är en teknik som studeras på många håll för att generera bränsle till bränsleceller. Den producerade gasen innehåller CH 4 (metan), CO 2, CO (kolmonoxid) och H 2. Förgasningen av biomassa kan göras så att mer vätgas eller mer metan produceras genom att välja olika förgasningsmetoder. När mer/mest vätgas genereras brukar man kalla gasen bio-vätgas och det senare för bio-sng (bio syntetisk naturgas). Gasen innehållande CH 4 och H 2 är speciellt lämplig för SOFC och MCFC, då ingen speciellt krävande gasrening behövs samt att värmen i gasen kan användas. I fallet MCFC kan även CO 2 som produceras vid anoden användas som bränsle vid katoden. Figur 6-9 visar fyra olika förgasningsmetoder som kan användas. 13

23 Figur 6: Förgasning av biomassa genom ångreformering och fluidiserad bädd. Figur 7: Förgasning av biomassa genom ångreformering och Screw Auger förgasare. 14

24 Figur 8: Förgasning av biomassa genom Entrained Flow -ångreformering. Figur 9: Förgasning av biomassa genom partiell oxidation. Bland olika råmaterial som man har testat att förgasa finns cellulosa bl.a. i form av flis, kokosnötsskal och andra nötskal. Systemstudier sker ofta i kombination med en turbin eller en ångcykel. Sverige ligger långt framme inom förgasningsområdet bl.a. i och med projektet CHRISGAS (Clean Hydrogen Rich Synthesis GAS) och svartlutsförgasningen i Piteå. I det förstnämnda fallet används en IGCC (Integrated Gasification Combined-Cycle), se figur 10, för att förgasa biomassa för kraftvärme-produktion. Tanken med försöksanläggningen är att demonstrera produktionen av en ren syntesgas som är rik på vätgas från träråvara (8). Produktionsmål för förgasaren är 18 MW (termisk effekt). Ett 15

25 långsiktigt mål är att producera fordonsbränsle från en väterik syntesgas, möjliga bränslen är DME (dimetyleter), syntetisk dieselolja, vätgas och metanol. Figur 10: Process-schema för pilotanläggning i Värnamo. I Piteå testar och utvärderar man att utvinna syntesgas ur svartlut se fig. 11. Figur 11: Förgasning av svartlut (Chemrec). 16

26 Tekniken bygger på att ta tillvara svartluten, som är en restprodukt i ett massabruk (9). Svartlut är en blandning av lignin, hemicellulosa och de kemikalier som finns i massakoket. I dag eldas svartluten upp i massabrukens sodapannor, som återvinner kemikalier och ger energi med lägre verkningsgrad. Förgasningen delar upp svartluten i syntesgas och återvunna kemikalier, så kallad grönlut. Efter att syntesgasen har tillverkats är nästa steg även här att omvandla syntesgasen till fordonsbränslen som DME, metanol, vätgas eller syntetisk bensin och diesel. Från början var man inriktad på elproduktion, ett alternativ som fortfarande är intressant. Nästa utvecklingssteg är två större demoanläggningar som planeras på massabruken Smurfit Kappa Kraftline i Piteå och Södra Cell i Mörrum. De ska bli 15 gånger större och producera upp till 100 ton drivmedel per dygn i kontinuerlig drift. Man har räknat på att en fullstor anläggning på ett massabruk kostar runt 2,5 miljarder och den investeringen återbetalas på fyra år. Och om de ca 20 massabruken i Sverige går över till att förgasa svartluten i stället för att elda upp den i sodapannor löser det en fjärdedel av landets drivmedelsbehov. 4.6 Biometanol Liksom Fischer-Tropsch vätskor kan även biometanol framställas via syntesgas från biomassa. Emellertid sker syntes av metanol företrädesvis i vätskefas vilket resulterar i ett högre metanol utbyte. Produktionen av metanol kräver en något annorlunda H 2 /CO kvot i syntesgasen jämfört med Fischer- Tropsch syntes. Metanol är giftigt till (skillnad mot etanol) vilket kräver en noggrann hantering, kontakt med hud och ögon bör undvikas. Metanolen kan användas i ett flertal bränsleceller från portabla DMFC (Direct Methanol Fuel Cells) dvs. så kallade direkt metanol bränsleceller där metanolen används direkt i cellen). I PEFC-applikationer kan metanolen reformeras till vätgas, vilket är en relativt enkel reformering, för användning i bränslecellen. Det har gjorts en hel del tester och utveckling med metanol. DMFC tekniken studeras en hel del likaså PEFC-applikationer. Metanol är också ett intressant bränsle för PAFC, MCFC och SOFC. En intressant anläggning är den MCFC-enhet som finns i Berlin som Vattenfall äger. Denna enhet, 250 kwe levererad av CFC Solutions, körs med metanol (från sopor/förgasade plastrester) eller naturgas eller en blandning av de båda bränslena. Detta är världens första högtemperatur-bränslecell som körs med två bränslen. 17

27 4.7 Glycerol Glycerol, även kallad glycerin, är en trögflytande vätska som inte ofta nämns som ett tänkbart bränsle för bränsleceller. Dock har intresset för glycerol ökat bl.a. på grund av låg kostnad då det är en biprodukt från biodieseltillverkning, se figur 12. Vanligtvis används glycerol inom kemikalieindustrin, bland annat vid kosmetikaframställning. Figur 12: Tillverkning av biodiesel ger glycerin. Då tillverkningen av biodiesel har ökat, så har samtidigt priset på glycerin nått rekordlåga nivåer. Samtidigt finns en begränsad marknad för förädlad glycerin. Producenterna av biodiesel söker därför olika alternativ för sin glycerol. För att kunna användas som bränsle i form av gas i bränsleceller behöver råglycerolen först rötas (anaerob) och därefter ångreformeras. Således krävs en del processutveckling för att kunna använda glycerol som bränsle i bränsleceller. Dock kan glycerol på sikt vara ett attraktivt bränsle. FCE (Fuel Cell Energy) har gjort en del undersökningar kring glycerol för användning i sina MCFC-enheter (5). 4.8 ETBE /MTBE Etyltertiärbutyleter, ETBE, är ett derivat av etanol, se fig. 13. ETBE får man genom en reaktion mellan isobuten och (bio)etanol. På samma sätt får man fram MTBE, metyltertiärbutyleter, men då reagerer isobuten med (bio)metanol istället. ETBE och MTBE används på många håll inom EU, ex. i Spanien och Frankrike, som tillsats i fordonsbränsle istället för etanol då det 18

28 inte är lika korrosivt som etanol. Många tror att dessa båda inte kommer att vara mer än tillsatser i fordonsbränslen varför det är troligt att de, som idag, inte kommer att vara särskilt använda i bränslecellssammanhang. C 2 H 5 OH ( CH 3 -CH 2 -OH ; Etanol) C 6 H 14 O ( (CH 3 ) 3-C-O-CH 2 -CH 3 ; ETBE) Figur 13: Molekylformel för etanol och ETBE. 4.9 RME RME eller rapsmetylester tillverkas av raps. Genom att pressa rapsfrön får man fram en olja till vilken man sedan tillsätter 10 % metanol (eller etanol) och kaliumhydroxid. Genom en omförestring av rapsoljan byter man ut rapsoljans glycerol mot metanol. Därvid uppkommer en etylmetyl-ester som i ett andra steg måste renas, oftast med hjälp av vatten eller aktiverad lera. Resultatet blir sedan biodiesel och glycerol. Bi- och restprodukter kan användas till foder, gödsel, asfaltering och vid produktion av smink. RME är bl.a. ett alternativt drivmedel till diesel. RME kallas därför också ibland för biodiesel och har främst använts som bränsle till fordon. RME minskar påverkan på växthuseffekten genom att nästan all koldioxid tas upp av rapsplantan. RME är ett bränsle framtaget för dieselmotorer (främst fordon) men kan även användas i villor med oljepannor. I Sverige har försäljningsutvecklingen av RME och utbyggnaden av antalet tankställen tills för några år sedan varit positiv. De senaste årens utveckling har dock varit negativ och försäljningen fortsätter att minska. Anledningen till nedgången beror främst på att dieselfordon som tankar RME generellt sett inte klassas som miljöfordon då de släpper ut alltför mycket partiklar och kväveoxider. Framtiden för RME ser dock ljus ut. Olika branscher arbetar för att regeringen ska ändra specifikationen för miljöklass 1 diesel så att det blir möjligt att blanda in 2-5 % RME i all diesel. Tester utförda av Scania visar att RME ger något högre utsläpp av NOx och något lägre utsläpp av koloxid och sotpartiklar än diesel. RME ger högre bränsleförbrukning och något lägre effekt än diesel vid fullast på motorn, men skillnaden minskar vid normal körning. Motorer som körs på ren RME kräver oftare oljebyte. Sverige förbrukar cirka 4 miljoner kubikmeter diesel per år. Det är i Sverige tillåtet med 2 procent RME-tillsats i diesel. Naturvårdsverket är positivt till att öka till 5 procent, vilket är Europastandard. EUs direktiv för biodrivmedel säger att alla medlemsländer ska ha en inblandning av 5,75 biokomponenter i bensin och diesel år För Sveriges del krävs då mer än kubikmeter RME. I Tyskland används för närvarande nära 2 miljoner kubikmeter RME. Både Volvo och Scania betonar att enbart RME aldrig kan ersätta diesel som motorbränsle, det går helt enkelt inte att odla tillräckligt med raps; i Europa visar beräkningar att man som mest kan nå en tiondel av förbrukningen. 19

29 RME-bränslet som sådant har mest fördelar. Det är oskadligt för människor, djur och natur och några allergiframkallande effekter har inte kunnat konstateras. Det bryts också ned i naturen (på 21 dagar). För fordon är RME upp till en krona billigare per liter än normaldiesel i Sverige. Den har samma värmevärde som dieseln och ger samma motoreffekt. Motorn drar inte mer RME-bränsle än diesel. I de allra flesta nyare dieselfordon personbilar, lastbilar, bussar, traktorer, entreprenadmaskiner kan dieseln ersättas med RME-bränsle utan några ingrepp i motorn. Nackdelarna med RME är begränsningen i råvaror, men även där har framsteg gjorts. Raps har länge varit den dominerande råvaran för RME men på senare tid har även andra råvaror tillkommit. RME kan även utvunnas ur animaliska och vegetabiliska fetter. Det kan vara rapsolja, sojaolja, palmolja, talgolja, begagnat fritösfett. Det kan vara fett från slaktade djur som kor, får, getter, grisar. Efter att RME (en form av biodiesel) har tillverkats kan den sedan appliceras som bränsle i bränsleceller på samma sätt som finns beskrivet i kapitel 4.1 Biodiesel, dvs. genom reformering. 20

30 5 Bränsleceller I detta kapitel beskrivs kort de olika huvudtyperna av bränsleceller som finns och hur de passar ihop med de biobränslen som har presenterats tidigare. De typer av bränsleceller som ingår i denna rapport ges i tabell 7. Dessa är de ledande typerna och de som är kommersiella idag. Tabell 7: De ledande bränslecellstyperna idag. Bränslecells-typ Elektrolyt material Transporterad jon Arbetstemperatur Polymer elektrolyt bränslecell (PEFC) Direkt metanol/ etanol bränslecell (DMFC/DEFC) Fosforsyra bränslecell (PAFC) Alkalisk bränslecell (AFC) Katjon ledande membran Katjon ledande membran Smält fosforsyra (H 3 PO 4 ) Alkalisk vattenlösning (ex. KOH) H C H C H C OH - < 250 C Smält-karbonat bränslecell cell (MCFC) Smält alkaliskt karbonat (e.g. NaHCO 3 ) CO C Fastoxid bränslecell (SOFC) O 2 - ledande oxidkeram (e.g. Y 2 O 3 - stabiliserad ZrO 2 ) O C Utöver de ovan angivna så finns det fler typer av bränsleceller. De flesta är dock på laboratoriestadiet eller är inte relevanta för denna studie med tanke på bränslet eller att de i dagsläget är ointressanta rent kommersiellt. Bränsleceller kan framförallt anses ha följande fördelar: hög verkningsgrad inga NOx- eller SOx-emissioner låg ljudnivå inga utsläpp av partiklar bränsleflexibilitet 21

31 För att biobränslen skall kunna användas i bränsleceller gäller generellt att gasen måste renas på något sätt innan den tillförs bränslecellen. Speciellt behöver bränslet renas på: svavel (exempelvis H 2 S - svavelväte) halogener och halogenerade kolväten, ex. klor siloxaner ibland även CO (kolmonoxid) 5.1 PEFC För PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) kan biobränslen användas genom att först reformera bränslet för att generera ett s.k. reformat rik på vätgas. Detta reformat behöver sedan renas för att få bort föroreningar, då PEFC-stacken är känslig för bl.a. CO (kolmonoxid) och svavel. En principskiss för en PEFC visas i figur 14. Figur 14: Principskiss för funktionen av en PEFC med vätgas som bränsle. Det vanligaste bränslet idag är naturgas, som dock är fossilt. Biobränslen som har testats och utvecklas vidare är biogas (som kräver en hel del rening av gasen innan den tillförs stacken), (bio)metanol, (bio)etanol och biodiesel. Figur 15 visar ett system med reformering av metanol från Protonex. 22

32 Figur 15: PEFC-system med metanol som bränsle. 5.2 DMFC/DEFC Direkt metanol-bränsleceller (Direct Methanol Fuel Cell) och direkt etanolbränsleceller (DEFC) fungerar på liknande sätt och sammanfattas i samma kapitel. Den förstnämnda är mer frekvent använd och är en relativt etablerad teknik. Som namnet antyder så är det använda bränslet i dessa bränsleceller metanol respektive etanol. Om det sedan är biometanol eller metanol (eller bioetanol eller etanol) spelar ingen roll för bränslecellen och dess funktion. Det viktiga är att inga för bränslecellen skadliga föroreningar finns i metanolen och att den är renad så att halten metanol i det tillverkade bränslet i regel är över 99%. Rent funktionsmässigt blandas sedan den koncentrerade metanolen (eler etanolen) i en vattenlösning innan den leds till bränslecellen, se principskiss i figur

33 Figur 16: Principskiss för funktionen av en DMFC med metanol som bränsle. Av andra biobränslen som har testats i DMFC-applikationer kan DME (Dimetyleter) nämnas. Då DMFC och DEFC i första hand är avsedda för små effektområden < 1 kw och för portabla applikationer så berörs dessa ej i någon större omfattning i denna rapport, då fokus ligger på stationära applikationer med större effekter (> 5 kw). 5.3 PAFC Designen av en fosforsyrabränslecell (PAFC) är snarlik den för PEFC. Skillnaden ligger i att PAFC har en vattenlösning eller en stabiliserad matris av kaliumhydroxid som elektrolyt. Foforsyra-bränsleceller har existerat på marknaden en längre tid. De som fortfarande säljer enheter är bl.a. UTC Fuel Cells i USA och Fuji i Japan. Dessa har existerat på marknaden en lång tid och Sverige har bl.a. haft en installation i Varberg på 90-talet från UTC. Deras PureCell finns nu i två versioner 200 och 400 kw. Det är den förstnämnda enheten som har använts i kombination med biobränslen, se fig. 17. För kommande generation av dessa utlovas dubbla livslängden och väsentligt lägre pris. På samma sätt som för PEFC behöver biobränslet först reformeras. Dock klarar PAFC-stacken (Phosphoric Acid Fuel Cell) högre halter av föroreningar varför reformatet inte behöver renas i samma omfattning som för PEFC. 24

34 Figur 17: Purecell TM Model 200 från UTC, på 200 kw el och ca. 260 kw värme. Bl.a. har NYPA (New York Power Authority) köpt några enheter från UTC för att använda biogas från vattenreningsverk till att driva bränslecellerna. UTC har även applikationer där biogasen kommer från bryggerier och svinfarmer. En principskiss av en PAFC visas I figur 18. Figur 18: Principskiss av fosforsyra-bränslecell (Phosphoric Acid Fuel Cell). En annan leverantör av PAFC är Fuji Electric i Japan. Den enheten som Fuji har är på 100kWe med runt 40 % elverkningsgrad och en beräknad livslängd runt timmar. Enheten kan användas för kraftvärme. Fuji har levererat mer än 20 dylika anläggningar i Japan. Ett antal har installerats i 25

35 biogasanläggningar, se exempel i figur Fuji har en ny modell på gång som heter FP-100H, figur 21. Figur 19: PAFC från Fuji i ett vattenreningsverk, Yamagata i Japan. 26

36 Figur 20: Data från PAFC-applikationen i figur 17. Figur 21: Data för Fujis nya enhet, Model FP-100H. 27

37 5.4 AFC Alkaliska bränsleceller (Alkaline Fuel Cells) för idag en tynande tillvaro. Dessa körs idag till nästan 100% med ren vätgas. Det vanligaste bränslet för AFC är vätgas, det finns ingen känd utveckling där man studerar biobränslen. En principskiss för en AFC ges i figur 22. Figur 22: Principskiss för en alkalisk bränslecell (Alkaline Fuel Cell). Rent principiellt kan dock biobränslen appliceras likadant som för PEFC. Detta genom att reformera biobränslet och på så sätt få en gas rik på vätgas som sedan tillförs den alkaliska bränslecellen. Gasen innehållande vätgas behöver sedan även renas på föroreningar som är skadliga för bränslecellen. Dock kräver inte AFC en lika ren vätgas som PEFC. 5.5 MCFC Den kanske mest lämpade bränslecells-tekniken för biobränslen, kommersiellt i dagsläget är MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells), fig. 23. Prismässigt ligger de bra till exempelvis vid jämförelse med konventionell teknik såsom gasmotorer. Detta då tekniken bl.a. tål relativt höga halter av föroreningar, bl.a. CO 2. Även om svavel är ett problem, så kan t.ex. lågsvavlig biodiesel ibland reformeras direkt för användning som bränsle i anoden. Andra föroreningar I gasen som behöver renas är siloxaner. MCFC tillverkas idag i MW-klassen, och de kan använda kraftigt varierande metanhalter för konvertering till el och värme. 28

38 Figur 23: Principskiss för en smältkarbonat-bränslecell (Molten Carbonate Fuel Cell). Längst fram i teknikutveckling och kommersialisering ligger Fuel Cell Energy (FCE) i USA och CFC Solutions i Tyskland. FCE har idag en kapacitet på sin produktion av 50 MW/år och de har 64 installationer i världen (ca. 17 MWe), från 250 kw till > 1 MW, där nästan alla är kraftvärme-applikationer. De har även order liggande på över mer än 10 MWe. Den anläggning som har gått längst har ca driftstimmar. Tillgängligheten ligger för många på över 95%. FCE har produkter från 250 kw upp till 10 MW, se figur 24. FCE arbetar även med bränslecell och gasturbin kombinationer där man genom att introducera det sistnämnda kan öka elverkningsgraden med 20-30%. Dessa design-ideér testas för närvarande med naturgas som bränsle. Inget hindrar dock att använda fönybara biobränslen som biogas i dessa sammanhang senare. 29

39 Figur 24: FCEs huvudsakliga produkter från 250 kw till 10 MW. Fastän naturgas är det huvudsakliga bränslet så har FCE relativt många installationer ca. 15 st. (ca. 8 MWe) med biogas som bränsle, tre sådana visas i figur 25. Applikationerna är främst vattenreningsverk och bryggerier. Andra förnybara bränslen som FCE studerar är biodiesel och etanol, som man även har gjort en del tester med samt glycerol, se tidigare kapitel. Figur 25: Några exempel på FCE-installationer med biogas som bränsle. 30

40 CFC Solutions (mer känt som MTU) från Tyskland, som samarbetar med FCE, är näst störst i världen på MCFC. CFC solutions har inte lika många enheter ute och de 19 som finns är samtliga på 250 kw. Deras enhet kallas HotModule, se figur 26. Den anläggning som har gått längst har ca driftstimmar. De anger elverkningsgraden till 42% för HotModule och 87% total verkningsgrad med värme. De arbetar med en ny stackdesign med högre effektdensitet som skall ha ca. 500 celler (blir världens största MCFCstack). Tester med denna är planerade till i början av De har två installationer med biogas i Tyskland, båda relativt nya (från 2005 och 2006). I den förstnämnda varierar metanhalten mellan 55-60%. Figur 26: CFC Solutions HotModule, på 250 kw. 5.6 SOFC Fastoxidbränsleceller, på engelska Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), är en högtemperatur-teknik på stark frammarsch. Många tror att SOFC skall bli den dominerande högtemperatur-tekniken på sikt och att den skall dominera över PAFC och MCFC. SOFC har driftstemperaturer mellan C, se principskiss i figur 27. Det finns även s.k. intermediära SOFC med något lägre driftstemperatur, C. Ingen skillnad görs dock mellan dessa för resonemanget i detta kapitel. 31