Seminarium batterier och bränsleceller

Seminarium batterier och bränsleceller Skillnader och hur de kompletterar varandra Elforsk rapport 13:54 Erik Wiberg Mars 2013

Förord För att hålla Energimyndigheten, Elforsks intressenter och övriga bränslecellsintressenter uppdaterade på vad som sker inom bränslecellsområdet, har projektet Teknikbevakning av bränslecellsområdet (Elforsk projektnummer 25097) genomförts under 2012. Målet med projektet har varit att samla in och sprida information bland Elforsks intressenter, landets forskare och näringsliv om den senaste utvecklingen inom bränslecellsområdet. I huvudsak har utvecklingen följts med utgångspunkt från IEA Implementing Agreement on Advanced Fuel Cells med ett delprojekt för varje annex, men också genom bevakning av intressanta konferenser och aktiviteter inom området. Denna rapport är en av ett tiotal delrapporter som tas fram inom projektet. Rapportens huvudsakliga slutsatser presenteras i en syntesrapport för hela teknikbevakningsprojektet (Elforsk rapport 13:30). Samtliga rapporter finns publicerade och fritt nedladdningsbara på Elforsks webbplats för bränslecellsbevakningen på adressen www.branslecell.se. Projektet har till största delen finansierats av Energimyndigheten. Volvo och Vätgas Sverige har bidragit med egeninsatser. Styrgruppen för projektet, som också deltagit aktivt i projektgenomförandet, har bestått av följande ledamöter: Bernt Gustafsson och Greger Ledung Energimyndigheten, Göran Lindbergh KTH, Bengt Ridell Grontmij AB, Eva Fontes och Emelie Wennstam Intertek Semko, Mohsen Assadi och Bengt Sundén LTH, Hans Pohl, Erik Wiberg Vätgas Sverige och Bertil Wahlund Elforsk AB. Elforsk framför ett stort tack till styrgruppen för värdefulla insatser. Stockholm mars 2013 Bertil Wahlund Programområde El- och värmeproduktion Elforsk AB

Sammanfattning Seminariet anordnades av Vätgas Sverige och Intertek och samordnades med projektet ROBUST. Det ägde rum i Powercells lokaler på Ruskvädersgatan i Göteborg. Syftet med seminariet var att ge en balanserad och faktabaserad bild av batteriers respektive bränslecellers styrkor och svagheter under olika förutsättningar. En deltagarlista finns bifogad till denna rapport. Dagen var upplagd med 20-minuterspresentationer dels från tillverkare av bränslecellsprodukter, men även med användarperspektiv från Svenska Kraftnät, en introduktion till ämnet batterier och bränsleceller samt en säkerhetsgenomgång av litium-jon-batterier. Powercell gav även en rundtur i sina laboratorier där bland annat reservkraftsystemet ROBUST och ett APUsystem visades. Dagen avslutades med en paneldiskussion där även åhörarna gavs utrymme i resonemang kring användningsområden, bränslen, och vad syftet med att ersätta befintliga batteri- och dieselsystem är.

Innehåll 1 Presentationer 1 1.1 Introduktion - Intertek... 1 1.2 Bränsleceller för laddning av konsumentelektronik MyFC... 1 1.3 Robust ren och säker reservkraft - PowerCell... 1 1.4 Bränsleceller i Stamnätet? Svenska Kraftnät (SVK)... 2 1.5 Bränslecellernas Rolls Royce - Cellkraft... 3 1.6 Inom vilka tillämpningar och effektklasser kan vi bäst dra nytta av bränslecellstekniken? Catator... 3 1.7 Säkerhetsaspekter på litium-jonbatterier SP... 3 2 Paneldiskussion 5 Bilaga 1 Deltagarlista 7

1 Presentationer 1.1 Introduktion - Intertek Vi fick en överblick av funktion hos batterier och bränsleceller. Bland annat diskuterades anod- och katodmaterial och elektrolyter hos batterier, samt vilka temperaturområden olika bränslecellstyper arbetar inom. När det gäller bränslen förklarades bränslecellens bränsleflexibilitet; att naturgas, biogas, propan, bensin, diesel, metanol, etanol, samt vätgas i olika former alla kan användas som bränslen i en bränslecell, men att konstruktionen och komponenter kan skilja sig beroende på önskad bränsletyp. Vätgas är betydligt energitätare gravimetriskt än batterier, medan batterier har högre volymetrisk energitäthet. 1.2 Bränsleceller för laddning av konsumentelektronik MyFC MyFC är ett svenskt företag som tillverkar en laddare med bränslecell för laddning av konsumentelektronik såsom mobiltelefoner. Laddaren använder bränsle av natriumsilicid som blandas med vatten och genom hydrolys blir natriumkiseloxid och vätgas. Bränslet är alltså lagrat i fast form, i små puckar. Varje sådan innehåller 4 Wh. Affärsidén bygger på att användandet av smartphones går mot applikationer som är allt mer energikrävande, vilket gör att laddningsbehovet utan tillgång till elnät ökar. Samtidigt ökar marknadspenetrationen för smartphones i allmänhet i utveclingsländer där elnätet är instabilt, vilket ytterligare ökar behovet. 1.3 Robust ren och säker reservkraft - PowerCell Powercell är en spin-out från Volvo Technology AB, vilket skedde 2009. Bolaget fokuserar på att utveckla och kommersialisera bränslecellssystem där en reformerdel, för att producera vätgas från diesel, kombineras med en bränslecellsmodul, som omvandlar vätgasen till el. Produkten kan ha flera användningsområden; ett av dessa är som Auxiliary Power Unit (APU) för lastbilar där enheten producerar el och värme när lastbilen står stilla, exempelvis över natten med föraren i. Utsläppen av hälsovådliga ämnen, så 1

som NOx, partiklar, med mera försvinner helt, trots att ett fossilt bränsle används. Även koldioxidutsläppen minskar betydligt jämfört med en förbränningsmotorbaserad APU, och än mer jämfört med tomgångskörning. Detta eftersom verkningsgraden är betydligt högre. Denna typ av produkt har även många andra möjliga marknader inom stationära tillämpningar där ett vanligt bränsle är tillgängligt. PowerCell säljer idag PEM bränslecellsstackar till andra systemintegratörer. ROBUST är ett projekt tillsammans med företaget FOAB, Vätgas Sverige och Västra Götalands Regionen där ett reservkraftaggregat tagits fram baserat på PowerCell s och FOAB s teknik. Enheten är på 2.5kW och släpper endast ut vatten som restprodukt. Målet med projektet är att demonstrera ren och effektiv reservkraft baserat på lagrad vätgas och bränslecellsteknik. Projektet har löpt under 2012 och skall avslutas i år med en demonstration. 1.4 Bränsleceller i Stamnätet? Svenska Kraftnät (SVK) Svenska kraftnät har provat bränsleceller för reservkraft till stamnätets ställverk. Ström till dessa är alltid högsta prioritet eftersom det krävs för att hålla igång resten av elnätet. SVK har bestämt sig för att öka tiden som reservkraften ska kunna leverera ström från 3 till 12 timmar, vilket gör att bränsleceller i kombination med superkondensatorer blir ett intressantalternativ till blybatterier. SVK långtidsprovar därför ett 2 kw system under ungefär ett år. Systemet kommer från det svenska företaget Cellkraft. Testerna innefattar prov på 2 minuter var tredje timma, vilket utförs 224 gånger under 30 dagar, men även prov under längre tider där systemet kopplas in 12 timmar i sträck med varierande höga laster. Slutsatserna efter hela provperioden är: Att rätt effekt är viktigt, varför en 20 %-ig marginal behövs. Det finns en osäkerhet i organisationen som vätgas. Många stationer har högre effektbehov, 3-10 kw. Systemet placeras i en anläggning efter provperiodens slut. 2

1.5 Bränslecellernas Rolls Royce - Cellkraft Cellkraft tillverkar ett bränslecellssystem som monteras i 19 -rack för reservkraft. De har bland annat levererat systemet till SVK, se ovan, och även till Telia. Fokus för Cellkrafts bränslecellsutveckling är låg vikt och kompakt, effektivitet, tillförlitlighet, temperaturtolerant, hållbart och modulärt. Systemet kan leverera 3 000 W och väger 30 kg. En stor del av vikten är dock kringkomponenter, själva stacken har en effektdensitet på 750 W/kg. Effektiviteten är 47 %, systemet startar upp på 15-30 sekunder oavsett hur länge det varit avstängt, klarar temperaturer ner till -20 Celsius, är garanterat att klara 20 000h drifttid. De har utvecklat system för ren vätgas såväl som med reformer från amerikanske Genesis. Det metanoldrivna systemet har även testats på en liten båt med elmotor utanför Stockholms kust. 1.6 Inom vilka tillämpningar och effektklasser kan vi bäst dra nytta av bränslecellstekniken? Catator Catator har tilvlerkat produkter inom området eff-grid elgenerering, bland annat för militära tillämpningar. Dessa använder högtemperatur-pembränsleceller. Presentationen fokuserade dock på inom vilket effektområde Catator anser att bränsleceller är lämpligast. De menar att bränsleceller är lämpligast inom system upp till några tiotals kw, exempelvis inom områdena bärbara mikrokraftaggregat, mindre kraftaggregat och räckviddsförlängare till fordon. En annan slutsats från Catator är att bränsleceller måste bli betydligt billigare snarare än att fokusera på hållbarhet, istället bör bränslecellerna i systemet kunna bytas ut med samma enkelhet som en glödlampa. 1.7 Säkerhetsaspekter på litium-jonbatterier SP För att sätta bränsleceller i perspektiv hölls det sista föredraget av SP om säkerhet i batterier. Föredraget gick igenom uppmärksammade batteriolyckor på sistone såsom datorbränder, bilbränder vid stormen Katrina och Boeing 787 Dreamliners batteribrand. I konsumentelektronik finns inbyggda skydd mot överladdning och andra icke normala förhållanden, samt andra säkerhetsmekanismer. Dessa är dock inte tillräckliga i större batterisystem 3

såsom de som används i bilar där de utsätts för vibrationer, fukt och temperaturförändringar, utmanande livslängdskrav, säkerhet vid kollision och höga spänningsnivåer vilket kräver många celler. Andra material har blivit aktuella i katod och anod än vad som tidigare använts inom konsumentelektronik, bland annat järnfosfat i katod och titanat i anod. De säkerhetsmekanismer som används är dels passiva såsom cellkonstruktion och cellkemi, men även aktiva som ventilering vid gasövertryck och överspänningsskydd. 4

2 Paneldiskussion En av frågorna vi ville reda ut på seminariet var vad bränslecellerna är tänkta att ersätta för energilager i respektive applikation. Svaren var blandade, och för portabla system ersätts såväl laddningsbara som engångsbatterier, som annars skulle använts för att ladda personlig elektronik. Kostnaderna för de portabla systemen antas gå ner, men det kommer inte bli en produkt för en bred massa i utvecklingsländer, utan snarare en växande medelklass i exempelvis Kina som dras med instabila elnät. När det gäller reservkraft var svaret framförallt batterier (bly och på sikt även litium) i kombination med diesel. Även bränslecellssystemen behöver batterier för att kunna leverera konstant elkraft, eftersom det tar runt en halv minut för ett system att starta. I hybridsystem som idag använder batterier och dieselaggregat byts alltså framförallt dieselaggregatet ut, eftersom batteriets funktion är att leverera ström tills det att förbränningsmotorn startat. De miljömässiga vinsterna med att byta ut befintliga system är följaktligen att minska risken att bly förorenar lokalmiljön, samt att koldioxid, NOx, partiklar och svavel minskar. Bränslecellen kan använda antingen ren vätgas, i regel i tryckkärl, eller ett reformerat bränsle. Powercell presenterade sin lösning med diesel som reformeras, alltså ett reservkraftsystem som fortfarande är fossilberoende. Trots detta innebär systemet miljövinster i och med att NOx-, partikel- och svavelutsläpp elimineras, och eftersom bränslecellen är effektivare än dieselaggregat minskar även koldioxidutsläppen betydligt. Att för reservkraftsystem avgöra precis var gränsen går mellan bränslecellsystem som ersätter diesel respektive batterier är svårt, eftersom många batterier och dieselaggregat varierar i dimensionering mellan olika reservkraftlösningar. 5

En fråga som kom upp under diskussionen var generering av vätgas lokalt vid platsen som kräver reservkraft. Sveriges elnät karaktäriseras av väldigt få avbrott, men inte sällan relativt långa, exempelvis vid stormar. Detta gör att investeringen i vätgasproduktion på plats blir kostsam samtidigt som det inte innebär någon direkt ökning i backuptid. Däremot kan denna lösning vara mycket aktuell i utvecklingsländer där strömavbrott är mer frekventa. I och med att elnätet i Sverige ser ut som det gör är behovet ett relativt stort energilager men med låga löpande kostnader. Eftersom hyra av gasflaskor med besiktning för tryckkärl m.m. innebär relativt höga kostnader kan det vara mer aktuellt att använda ett bränsle som reformeras, exempelvis metanol, ammoniak eller fossila bränslen, speciellt då det är billigare att få ett stort sådant lager på plats. Cellkraft menar att en första applikation för bränsleceller är där effektbehovet är lågt men över lång tid. Som beskrivits ovan är backupbehovet i Sverige ungefär efter den karaktäristiken. En vanlig applikation för reservkraft är mobilbasstationer, där nyligen kravet ökats till 8 timmar i USA, vilket drivit på kommersialisering och implementering betydligt med ett stort antal installerade system. Kravet i Sverige är dock betydligt kortare vilket gör det mindre gynnsamt rent regelmässigt, men regelverket speglar inte det faktiska behovet i Sverige. Det som håller tillbaka bränsleceller i reservkraftsapplikationer i Sverige är framförallt det låga kravet på backuptid. Kravet på reservkraft till elnätsstationer har däremot höjts till 12 timmar från tidigare 3, vilket gör att SVK ser bränslecellsteknik som intressant. Ytterligare höjningar bedömer Lars Wallin från SVK som troliga. SVK menar att priset på systemen inte är det viktigaste, utan snarare tillförlitligheten. Anders Ocklind från Cellkraft menade att en perfekt applikation för bränsleceller ännu inte existerar, eftersom teknik för det inte tidigare funnits, varför bränslecellstekniken öppnar för nya möjliga applikationer som tidigare varit svåra eller omöjliga. 6

Bilaga 1 Deltagarlista Deltagare Anders Lundblad Anders Ocklind Andreas Bodén Andreas Nyman Anton Bergholtz Anton Ekengren Bernt Svensén Catarina Dahlander Erik Wiberg, moderator Fredrik Larsson Fredrik Silversand Hans Aage Hjuler Helge Nilsson Inga-Lill Olsson Jenny Lang Jenny Segersten Joaquin Vilj Johanna Stiernstedt Jonas Blomberg Kjell Mott Kristofer Sporrong Lars Wallin Linda Nilsson, moderator Per Wennerberg Simon Svensson Staffan Rosell Stig Larsson Thomas Steenberg William Falkenström Organisation myfc Cellkraft PowerCell Intertek Chalmers IVL BRG Tecnofarm Vätgas Sverige SP Catator Danish Power Systems Halmstad Högskola Kanadas amabassad SP Vätgas Sverige Göteborgs EnergiTekniska Laboratorium Swerea IVF Privat SERO Halmstad Högskola SVK Vätgas Sverige Tecnofarm privat Access Consult privat Danish Power Systems Chalmers 7