Råvarubas för vätgasproduktion En överblick av möjligheter och utmaningar för vätgas som bränsle i transportsektorn

Råvarubas för vätgasproduktion En överblick av möjligheter och utmaningar för vätgas som bränsle i transportsektorn Maria Grahn Fysisk Resursteori, Institutionen för Energi och Miljö, Chalmers 2016-04-05

Olika drivmedelsalternativ från olika energikällor lämpar sig olika bra för olika transportslag Rollen för vätgas är gulmarkerad, där streckade linjer och ljusgula fält indikerar möjliga men mindre attraktiva val Fossila (olja, naturgas, kol) Flytande drivmedel (petro, metanol, etanol, biodiesel ) ICEV, HEV (internal combustion engine vehicles and hybrids) Flyg Sjöfart Biomassa Sol, vind etc Elektricitet Metan (biogas, syntetisk metan, naturgas) Vätgas FCV (fuel cell vehicles) BEV, PHEV (battery electric vehicles) Induktiv och konduktiv elektricitet Väg (kort) (bilar, bussar, distributionslastbil ar) Väg (lång) (långfärdsbussar och lastbilar) Spår (tåg, spårvagn) ENERGIKÄLLOR DRIVMEDEL FORDONSTEKNIKER TRANSPORTSLAG

Fördelar vätgas och bränsleceller Det finns många sätt att producera vätgas med låga CO 2 -utsläpp (tex från biomassa och sol). Ingen uppenbar konkurrens med matproduktion. Bränsleceller har Hög omvandlingseffektivitet. Låg ljudnivå Inga eller låga lokala utsläpp från fordonen (endast vattenånga vid användning av H 2 i bränslecell)

Utmaningar för storskalig användning av vätgas och bränsleceller Storskalig CO 2 -neutral vätgasframställning Kostsam H 2 -distribution Lagring av H 2 i fordon (utrymme, material) Bränsleceller fortfarande dyra Förbättringar önskas när det gäller produktionskostnader, livslängd och minskat behov av sällsynta metaller. Flytande H2-253 O C Risk för läckage i pipelines Komprimerad H2 300-700 bar

Some hydrogen production pathways Fossil sources Natural gas reforming. Coal gasification (with or without CCS). Biomass (resource is globally limited) Biomass gasification and pyrolysis. Biomass-derived liquid reforming. Microbial biomass conversion (dark fermentation). Solar (resource is abundant, but intermittent) Solar thermochemical hydrogen (STCH). Photoelectrochemical (PEC). Photobiological. Electrolysis (AEC, PEM, SOEC). Steam reforming of liquid biofuels+water gas shift into H2. Microorganisms break down organic matter without light. STCH: Water splitting in high temperatures, e.g. concentrated solar power. PEC: Semiconductor materials uses sunlight to split water. Microorganisms (green microalgae or cyanobacteria) use sunlight to split water. STCH http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-resources#biomass PEC Electrolysers Microbial electrolysis cells (MECs)

Timescale for hydrogen production pathways According to DOE technologies that can produce hydrogen at a target of less than $4/kg http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-pathways

Hydrogen production cost depends on electricity price, investment cost for the electrolyser and hours operation per year (note that scale on y-axis differ) From presentation by Annabelle Brisse, brisse@eifer.org Conference, Iceland, June 2013

Ongoing literature review (peer-reviewed publications 2011-2016): Comparison of cost and performance for different electrolyser technologies including median of the data found and range in parenthesis Alkaline (AEC) Proton Exchange Membrane (PEM) SOEC (steam) SOEC (coelectrolysis) Today 2030 Today 2030 2030 2030 Electricity-to-hydrogen 65% 66% 62% 69% ~77% ~81% LHV efficiency (%) (43-69%) (50-74%) (40-69%) (62-79%) Minimum part load 30 (20-40%) 10-20% 9% (5-10% 0-5% ~3% ~3% (% of capacity) System size (MW) 1.1-5.3 4.9-8.6 0.10-1.2 2.1-90 0.5-50 0.5-50 Stack lifetime (1000 h) 75 (60-90 95 (90-100) 62 (20-90 78 (60-90) <90 <90 System lifetime (years) 25 (20-30) 30 20 (10-30) 30 10-20 10-20 Investment cost ( 2015 /kw elec ) 1100 (600-2600) 700 (400-900) 2400 (1900-3700) 800 (300-1300) 700 (400-1000) 700 (400-1000) Operation and maintenance cost 2-5% 2-5% 2-5% 2-5% 2-3% 2-3% Stack replacement cost (share of investment cost) Comments 50% 60% Included in O&M cost Has been used for more than 100 years Currently more expensive than AEC. Very good short ramp times. Included in O&M cost May enter the market in near future. Can be utilised for coelectrolysis (CO 2 to CO and H 2 O to H 2 simultaneously). Source: Brynolf, S.; Taljegård, M.; Grahn, M.; Hansson, J. (2016). Electrofuels for the transport sector: a review of production costs. WORK IN PROGRESS.

Resultat och insikter från min forskning

Million cars Maria Grahn, Physical Resource Theory, dept. of Energy and Environment Resultat från kostnadsminimering. Global energisystemmodell. Analys av bränsleval för världens Passenger bilflotta vehicle när ambitiösa fleet klimatmål ska nås till lägsta kostnad. 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 C) CO2-krav: 450 ppm GTL/CTL.PHEV PETRO.PHEV PETRO.HEV PETRO.ICEV Battery cost: $300/kWh NG.ICEV H2.FCV H2.ICEV 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 PETRO = Bensin/Diesel BTL= Biodrivmedel CTL= Bränslen baserade på kol GTL= Bränslen baserade på naturgas NG = Naturgas H2 = Vätgas ICEV = Internal Combustion engine FCV = Fuel cell vehicle HEV = Hybrid electric vehicles PHEV = Plug-in electric vehicles (Elektrobränslen är inte inkluderat i modellen) Generella resultat: - Det är osannolikt att en enda bränsle- och tekniklösning kommer att ersätta dagens användning av bensin och diesel. Mer sannolikt att vi får se en mix av olika lösningar. - Hybrider och plug-in-hybrider är lösningar som har potential att spela störst roll i en nära framtid. - Vätgas är den dyraste tekniken men ändå den som kan dominera en framtida lösning när olja, naturgas och bioenergi är mycket knappa resurser. - Den begränsade mängden biodrivmedel kan minska utsläppen till lägre kostnad om den ersätter fossila bränslen i el, värme och kemikalieproduktion (istället för som transportbränsle). Source: Grahn M, Azar C, Williander MI, Anderson JE, Mueller SA and Wallington TJ (2009). Fuel and vehicle technology choices for passenger vehicles in achieving stringent CO 2 targets: connections between transportation and other energy sectors. Environmental Science and Technology 43(9): 3365 3371.

Produktion av elektro-bränslen El Vatten (H 2 O) Maria Grahn, Physical Resource Theory, dept. of Energy and Environment Vätgas (H 2 ) AEC <70% 400-1300 /kw el PEM <75% 400-2000 /kw el SOEC 70-90% (not yet on market) Min forskning just nu: När kan elektrobränslen konkurrera med andra drivmedel? H 2 CO 2 från luft eller havsvatten KOLDIOXID CO 2 från förbränning Värme Sabatier reactor eller Fischer-Tropsch reactor eller Methanol synthesis reactor Biodrivmedel Elektrobränslen 5-10 /tco 2 CO 2 Metan (CH 4 ) Metanol (CH 3 OH) DME (CH 3 OCH 3 ) Etanol (C 2 H 5 OH) Bensin (C 8 H 18 ) Biodrivmedels - produktion Elektrolys All produktion av biodrivmedel ger överskott på CO 2 Biomassa (C 6 H 10 O 5 )

Parameters assumed in the cost calculation (e-methanol) Interest rate 5% Economic lifetime 25 years Investment cost 1900 /kw fuel Median electricity price (at CF 70%, Swe 2014, 56 /MWh el incl. tax and net tariff) CO 2 capture 10 /tco 2 O&M 4% Water 0.7 /m³ Distribution of methanol 1.6 /MWh Heat (120 C) 0.04 /kwh heat The production cost of e-methanol for different reactor capacity factors Assumptions Engine power (kw) 2400 Tank capacity (GJ) 3500 Lifetime (years) 30 Interest rate 5% Methanol engines cost ( /kw) 540 Hydrogen fuel cell cost ( /kw) 3000 Methanol storage cost ( /GJ) 30 Hydrogen storage cost ( /GJ) 225 Investment cost for hydrogen liquefaction ( /kw) a 880 Distribution of hydrogen ( /MWh) 12 Methanol engine efficiency 40% Hydrogen fuel cell efficiency 45% E-methanol capacity factor 70% Source: Taljegård M, Brynolf S, Hansson J, Hackl R, Grahn M, Andersson K. (2015). Electrofuels: a possibility for shipping in a low carbon future. Conference proceedings to Shipping in changing climates, Glasgow, Nov 2015. Preliminary results comparison e-methanol vs hydrogen: (1) Hydrogen will be less costly, than e-methanol, if the ship is operated more than 100 days per year. (2) E-methanol is favoured from e.g. higher costs on H2 storage and fuel cells.

Sammanfattning Mycket flexibel råvarubas för produktion av vätgas. Även om biomassa är en globalt begränsad resurs så finns flertalet sätt att producera vätgas från fossila källor med CCS, från sol eller förnybar el. Prognos för både effektivare och billigare vätgasproduktion i framtiden. Produktion av vätgas kan förutom att bidra till lösningar för transportsektorn också bidra till lösningar för lagring av intermittent överskottsel. Vätgas i bränsleceller kan under olika förutsättningar kostnadsmässigt konkurrera med elektrobränslen i förbränningsmotorer.

Extra

Mina reflektioner kring framtidens drivmedel Tre huvudgrupper alternativa drivmedel har potential att komma ner i nästan nollutsläpp: bränslen som innehåller kolatomer (biodrivmedel/ elektrobränslen), el, vätgas Drivmedel som har en fördel är de som kan blandas i konventionella bränslen (alkoholer, biodiesel, elektrobränslen) kan produceras från flera olika slags råvaror (alla) redan har en utbyggd infrastruktur (E85, metan) satsas på inom EU (el, metan och vätgas). Det är högst sannolikt att det kommer att utvecklas flera parallella lösningar. Vänta inte på den enda rätta lösningen. CO 2 kan minskas med åtgärder för minskat transportbehov och mer energisnåla fordon/fartyg (oavsett drivmedel).

Research focuses to improve solar-h2 Solar thermochemical hydrogen (STCH). Efficiency and durability of reactant materials for thermochemical cycling. Robust reactor designs compatible with high temperatures. Reduced cost of the concentrating mirror systems. Photoelectrochemical (PEC) Efficiencies: enhanced sunlight absorption and better surface catalysis. Durability: protective surface coatings. Costs: reduced material need. Photobiological Early stage, a number of common challenges, e.g., Improving activity of enzymes. Developing strains that can efficiently use the sunlight. Developing reactor configurations. Electrolysers Reduced capital cost. Improve conversion efficiency.

Not many options for seasonal storage. Pumped hydro and compressed air may be geographically limited. Electricity storage options Hydrogen may be challenging to store over seasons but can be used as a transportation fuel. Source: www.chalmers.se/en/areas-of-advance/energy/cei/pages/systems-perspectives-on-renewable-power.aspx (Chapter 5)

Anod: 2H 2 4H + + 4e Katod: O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O Total: 2H 2 + O 2 2H 2 O Hydrogen (H 2 ) - fuel Oxygen (O 2 ) from the air O 2 2H 2 Heat (85 O C) Non-utilized hydrogen (H 2 ) Emissions: Air and water vapor 2H 2 O Anode Proton conducting membrane Cathode Adapted from: Scientific American