Möjlighet och potential för bränslecellssystem för energiförsörjning i byggnader 30 mars 2011 Anna-Karin Jannasch,Catator AB
Agenda Studiens bakgrund och målsättning Beskrivning av bränslecellssystem för småskalig kraftvärmeproduktion (m-chp) Marknadsstatus för bränslecellsbaserade m-chp Marknadspotential för m-chp Bränslecellsteknologi jfr. med konkurrerande teknologier för m-chp Slutsatser
Bakgrund till projekt Byggsektorn står för ca 30 % av världens och mer än 40 % av Europas totala energikonsumption. Den största andelen av denna energi (ca 60 %) härstammar från förbränning av fossila bränslen, vilket resulterar i en mycket stor andel av EUs utsläpp av växthusgaser (ca 20 %). EU har åtagit sig att minska utsläppen av växthusgaser med minst 20 procent av 1990 års nivåer före 2020. Vägar att tillgå för att minska energikonsumptionen och utsläpp av växthusgaser... Förbättrad byggnadsisolering, effektivare luftbehandlingsanläggningar. Användning av förnybara energikällor (sol, vind, vatten, jord). Användning av förnybara bränslen (väte, biogas, bioetanol). Utveckling och användande av m-chp (bränsleceller, värmemotorer, solceller, vindkraftverk).
Schematisk illustration av m-chp
Fördelarna med m-chp jfr. med centraliserad kraftproduktion Värmeproduktionen tillvaratas Transmissionsförlusterna undviks Sårbarheten minskar
Studiens målsättningar Öka kunskapen om bränslecellsbaserade energiförsörjningssystem. Ge en state-of-art -rapport om kunskapsläget och teknikens mognadsgrad och om vilka möjligheter som står till buds. Vara behjälplig vid granskning av demonstrationsprogram inom m-chp för byggnation i tätorter samt vid ev. val av framtida systemlösningar lämpade för olika byggnationer och geografiska placeringar. Avgränsningar System avsedda för småhus ( 5 kw e ) och flerfamiljshus ( 50 kw e ) belägna i tätorter. Tillgång till fast elnät samt gasdistributionsnät av antingen naturgas eller biogas förutsätts.
Bränslecellsteknik jfr. med termiska processer Värme Bränsle Syre/Luft Termomekanisk teknik Kemisk energi Termisk energi Mekanisk energi Elektrisk energi Bränslecellsteknik
Bränslecellsteknikens för- och nackdelar - +
Principskiss av bränslecellssystem Air Fuel Bränsle + värme katalysator Väterik gas Water vatten HCs Olika metoder finns för reformering (SREF, ATR, CPO) Olika metoder finns för gasrening (Kemisk, Fysikalisk) Olika bränsleceller har olika krav m a p bränsle, gaskvalité och driftsvillkor (T, tid) vid normal och transient drift. CO 2 Rening H 2 O H 2 Bränsle cell N 2 H 2 S CO Kraft Värme
Ökande driftstemp, T. Olika bränslecellsprinciper Air LT-PEMFC, 60-90 C AFC, 50-250 C HT-PEMFC, 120-180 C PAFC, 150-200 C LT-SOFC, 550-650 C MCFC, 600-700 C HT-SOFC, 700-900 C LT-PEMFC (HT-PEMFC) och SOFC i dagsläget de mest aktuella för m-chp LT-PEMFC mest mogen och termomekaniskt stabil, men SOFC ger viktiga fördelar såsom: + Högre elverkningsgrad + Effektivare värmeutvinning + Enklare, kompaktare system + Vattenoberoende
Marknadsstatus av bränslecellsbaserade m-chp Japan METI-NEDO-NEF-programmet drivs av staten och företag såsom Toshiba FCS, Panasonic, ENEOS Celltech, Nippon gas, Tokyo Gas, mfl. Pågår sedan år 2002. Drygt 3300 st m-chp enheter installerade inom programmet. Ytterligare ett par tusen enheter sålda för privat och kommersiellt bruk utanför programmet. Sedan maj 2009 är systemen kommersiella under namnet ENE-FARM.
ENE-FARM LT-PEMFC, SOFC naturgas, gasol, fotogen 0.7-1 kw e /2 kw th (Bränslecell) Kombineras med gaspanna (40 kw) samt tank (50/200 L, 60/80 C) system,el = 35-37% (LT-PEMFC) = 41-45 % (SOFC) system,tot =85-90% (LT-PEMFC, SOFC) bullernivå < 40 db (1 m avstånd) dimension: 780-900x300-400x860-900 mm (exkl. gaspanna och tank, LT-PEMFC) vikt=104-125 kg (LT-PEMFC) 0.5-1 % degradering efter 2 års drift (LT- PEMFC). Målsättning livslängd 40-90 000 timmar
forts. ENE-FARM Listpris MÅL! År 2010 År 2011 År 2015 År 2020-250-270 ksek/enhet 210 ksek/enhet 40-60 ksek/enhet, 100 000 enheter/år/leverantör < 30 ksek/enhet I dag subventioner den japanska staten upp till 40 % av den totala installationskostnaden. Subventionerna minskar varje år. År 2015 förutsätts ENE-FARM vara kommersiellt attraktiv även utan några statliga subventioner.
Sydkorea Staten driver ett demonstrationsprogram tillsammans med företag såsom Hyosung, GS Fuel Cell, Fuel Cell Power, KOGAS, mfl. Pågår sedan 2010. LT-PEMFC, SOFC Idag omkring 200 st enheter (1 kw e ) installerade, nästa år omkring 500 st Idag statliga subventioner upp till 80 % av den totala installationskostnaden (t o m 2012) + Feed-In-Tariffs (FIT). År 2015 förutsätts systemen vara kommersiellt attraktiva även utan några ekonomiska stöd. Målsättning för år 2020 100 000 enheter installerade och i drift SYSTEM, EL =40 %, SYSTEM, TOT =90 % 20-30 ksek/kw e
USA Utveckling av m-chp (Acumentrics, Versa Power Systems, Fuel Cell Energy, General Electrical Power Systems, Siemens Westinghouse Power Corp.) på uppdrag av Solid State Energy Conversion Alliance (SECA). 3-10 kw e, SOFC. Företaget Bloomenergy utvecklar m-chp för flerfamiljshus. 100 kw e, SOFC. Australien Företaget Ceramic Fuel Cells Limited (CFCL) utvecklar m-chp, under namnet BlueGen. 2 kw e, SOFC. Avtal med GdF Suez, EWE, Eon UK, Paloma, m fl.
Inom EU Tyskland Demonstrationsprogrammet Callux (Baxi Innotech, Hexis, Vaillant, Eon, MVV Energi, EnBV) pågår sedan år 2008. Planerar att driftsätta och utvärdera 800 enheter under perioden 2012-2015. Inkl. HT-SOFC och LT-PEMFC, naturgas Storbritannien Bränslecellstillverkaren Ceres Power leder utvecklingen. Utvecklar vägghängd m-chp baserad på IT-SOFC (0.8 kw e /1.2 kw th ) för drift med naturgas, gasol. Har framtida order på drygt 70 000 enheter fram till år 2012 på uppdrag av Britisch Gas, Calor Gas samt Bord Gais Energy.
Ceres Powers vägghängda m-chp 5 4 1 6 2 3 1. Kondenserande gaspanna inkl. brännare och vvx. 2. Styr- och reglerteknik 3. Bränslefilter 4. Bränslecellsmodul 5. Bränslecellsstack (IT-SOFC) 6. Bränsleberedning inkl. reformer och gasrening Se demo: http://www.cerespower.com/investorrelations/presentationsandvideos/chpproductdemonstration/
Inom EU Danmark Demonstrationsprogram pågår under perioden 2006-2012 (Danfoss, Dantherm Power, IRD, Topsoe Fuel Cell, m fl). Inkluderar m-chp (1-5 kw e ) baserade på LT-PEMFC, HT-PEMFC och HT-SOFC för drift med naturgas. Finland Företaget Wärtsilä Corp. utvecklar m-chp (20, 50 kw e ) för flerfamiljshus och div. större anläggningar. Samarbete med TEKES, VTT, Topsoe Fuel Cell. Drift med naturgas, deponigas, metanol. >1500 drifttid med deponigas. I början av 2010 undertecknades affärsavtal med det japanska företaget Hitachi Zosen för marknadsföring och etablering av systemen på den japanska marknaden.
Inom EU Sverige 2 demonstrationsprojekt i GlasHusEtt, Hammarbysjöstad, Stockholm. 1) Under perioden 2002-2005, hybridsystem inkl. reformer, elektrolysör, vätgastankar, solceller, LT-PEMFC (4 kw e ). Drift med vätgas/biogas. 2) Under perioden 2007-2008, SOFC-system (5 kwe). Drift med biogas. År 2010, Catator AB utvecklade m-chp (HT-PEMFC) hybridiserat med värmepump under namnet Comfortpower på uppdrag av FMV med stöd från Nibe, AlfaLaval, Skanska och SGC. Flertalet EU-länder har infört subventioner och/eller Feed-In-Tariffs vid installation och användning av m-chp. I Sverige finns i dagsläget endast subventioner till installation av solceller och samt, i vissa län för jordbrukare, för installation av vindkraftverk.
H 2 SUSbuild Pågående EU-program Utveckling av ett autonomt hybridsystem (50 kw e ) under perioden 2008-2012. Drift med naturgas/vätgas. LT-PEMFC. För mer info, se: http:// www. h2susbuild.ntua.gr
H2ome Pågående EU-program Utveckling av m-chp för flerfamiljshus (28/48 kw e ), SIDERA 30. Avslut år 2010. Ny ansökan på väg LT-PEMFC Naturgas SYSTEM, EL=33 % SYSTEM, tot=88 % Dagspris omkring 3 milj. SEK För mer info, se: http://www.h2ome-fp7.eu
Marknadspotential för (bränslecellsbaserade) m-chp Betydelsefulla parametrar: Aktuell teknik för el- och värmeproduktion Tillgång och utbyggnad av gasnätverk El/gaspris Hushållets energibehov (totalt samt el/värme-förhållandet) Regelverk (subventioner, FIT, ecodesign-direktiv 2005/32/EC..)
Euros / kwh Jämförelse av el- och gaspris [3] Potential för m-chp 0.3 0.2 0.1 Elpris (fast nät) Elpris (m-chp) Gaspris 0 Sverige Danmark Storbritannien Tyskland Italien [3] http://www.energy.eu/
Jfr. mellan bränsleceller och alternativa tekniker för m-chp Ekonomi Teknik Miljö Bränsleceller Idag: 210 ksek/kw e År 2015: 40-60 ksek/kw e värme:el=0.5-2:1 EL =35-45 % Ljudnivå 30-40dB@1 m Inga rörliga delar Komplex Omogen =Dyr! Högst EL minst mängd växthusgaser 75-90 % mindre NO x 1 75-80 % mindre partikelutsläpp 1 Bensinmotorn Idag: 30-70 ksek/kw e värme:el=2-3:1 EL 20-35% Ljudnivå:44-56 db@1 m Mogen=Billig! Omkring 10 x än Stirling 2 Stirlingmotorn Idag: 60-140 ksek/kw e värme:el=3-10:1 EL 5-30% Ljudnivå: 45-55 db@1 m Kompatibel med förnybara bränslen, solceller Se ovan [1] M.Q. Wang, A. Elgowainy, J. Han, 2010 DOE Annual Merit Review Proceedings. [2] http://www.cleanergyindustries.com/
ComfortPower Värme, kylning, el Bränsleflexibel Rena avgaser med låga emissioner Skalbar, 1 10 kw e Kompakt, tyst och effektiv 10 kw värme 6 kw kylning 1.5 kw e Överskottsvärme v ;200-250% verkningsgrad verkningsgrad 200-250 % 100-150 % verkningsgrad 35 % bränsle, 100% FPS/ FC Kraft (el), 30-40% Högkvalitativ värme, 60-70% VP ComfortPower COP=5
Sammanfattning Stort intresse för bränslecellsbaserade m-chp utanför Sverige, framförallt i Japan, Sydkorea, Tyskland och Storbritannien. Marknadspotentialen för m-chp starkt beroende av den geografiska placeringen. Bränslecellsteknologin har både tekniska och miljömässiga fördelar jfr. med konkurrerande teknologier (värmemotorer). Kvarstående utmaningar för bränslecellsbaserade m-chp är kostnaden/priset samt livslängden/tillförlitligheten. Bränslecellssystem hybridiserade med värmepumpar och/eller solceller har stor marknadspotential!
TACK!