STATUSRAPPORT ÅR 2000: Teknik, Mognad, Ekonomi för SOFC och Hybrid SOFC/GT System

Institutionen för Värme- och Kraftteknik Lunds Tekniska Högskola Lunds Universitet STATUSRAPPORT ÅR 2000: Teknik, Mognad, Ekonomi för SOFC och Hybrid SOFC/GT System Författare: Jens Pålsson och Azra Selimovic

2 Innehållsförteckning 1. ALLMÄNT OM UTVECKLINGS- OCH MARKNADSLÄGET I VÄRLDEN...3 1.1 USA...3 1.2 EUROPA...4 1.3 JAPAN...4 2. UTVECKLARE OCH DEMONSTRATIONER...4 2.1 SIEMENS WESTINGHOUSE...5 2.2 SULZER HEXIS...8 2.3 SOFCO...9 2.4 CERAMIC FUEL CELL LIMITED...10 2.5 GLOBAL THERMOELECTRIC INC....12 2.6 RISØ FORSKNINGSCENTER...13 2.7 JÜLICH FORSCHUNGSZENTRUM...14 2.8 ÖVRIGA SOFC UTVECKLARE...14 3 TEKNISKA OCH EKONOMISKA HINDER FÖR KOMMERSIALISERING... 15 3.1 INVESTERINGSKOSTNADEN...15 3.2 MELLANTEMPERATUR SOFC...16 3.3 NATURGAS SOM BRÄNSLE...17 3.4 SYSTEMKOSTNADER OCH ÅTGÄRDER FÖR MINSKNING...18 4 JÄMFÖRELSE MED KONKURRERANDE TEKNIKER... 19 4.1 SMÅSKALIG KRAFTVÄRMEGENERERING UPP TILL 1 MW...20 4.2 DECENTRALISERAD KRAFTVÄRMEGENERERING MELLAN 1-30 MW...21 4.3 FÖRNYBARA ENERGIKÄLLOR...23 4.3.1 Solceller... 23 4.3.2 Vindkraft... 24 4.3.2. Bioenergi... 25 5 AVSLUTNING... 25

3 Bakgrund Denna rapport lägges fram för att kort beskriva utvecklingsläget för SOFC och kombinerade SOFC/GT system ur ett tekniskt och ekonomiskt perspektiv som det ser ut i slutet av år 2000. Även en jämförelse med konkurrerande teknik görs såsom gasturbiner och gasmotorer, men även förnybar energi. Rapporten är ett av de sista momenten i projektet B98-01 Studier av fastoxidbränslecell och dess integrering i en gasturbinprocess. Projektet är en del av det nationella högskoleprogrammet för stationära bränsleceller och har finansierats med 100% av Statens Energimyndigheten. Rapporten har skrivits av Jens Pålsson och Azra Selimovic. 1. Allmänt om utvecklings- och marknadsläget i världen SOFC har varit under utveckling sedan 1930-talet med upptäckten av zirkonium som ledare av syrejoner. Först under 1980-talet med Westinghouse satsningar kom tekniken in i en snabbare utvecklingstakt. Under 1990-talet löste man flera tekniska problem och kunde öka prestanda väsentligt bland utvecklarna. Detta tillsammans med billigare material och tillverkningsmetoder gör att tekniken nu närmar sig ett genombrott. Flera aktörer har planer för kommersialisering år 2001 och några år framåt. Åtminstone tre tillverkare har uppfört demonstrationsanläggningar där effekten varierar mellan 1 kw och 220 kw. Tubulär celldesign har nått längre och saknar tätningsproblem som den plana cellen i viss mån har. Å andra sidan har plan SOFC större potential för en mer kompakt design och billigare tillverkning. Försök har gjorts att kombinera de två celltyperna s.k. platta tuber. 1.1 USA I USA sponsrar Department of Energy (DoE) bränslecellsutvecklingen på ett sätt som kanske inte görs på något annat håll i världen. DoE har stöttat olika program sedan 20 år tillbaka, främst Fuel Cell Energy inom MCFC och Siemens-Westinghouse inom SOFC. Målsättningen är nu att nå system med 50-60 % verkningsgrad år 2003 i storleksklassen 200 kw till 3 MW och med en kostnad av 1000-1500 US$ per kw [41]. Marknadsutsikterna för bränsleceller initialt kommer vara s.k. premium power applications d.v.s. kunder som kräver säker tillgång på ström av hög kvalite såsom datorcentraler, sjukhus etc. och som är beredda att betala ett högre pris för det [41]. Genom en satsning som går under benämningen SECA (Solid State Energy Conversion Alliance) kommer en 5 kw bränslecellsmodul utvecklas för den stationära, militära och hjälpkraftmarknaden. Iden är en billig, kompakt SOFC enhet som skall kunna massproduceras men samtidigt kundanpassas genom att kombinera flera moduler. En sådan bränslecellsmodul skall inte kosta mer än 400 US$ per kw. De tecken som tyder på att detta är möjligt är alternativa och billigare tillverkningsmetoder, innovativ plan celldesign (anodbärande), kompakt bränslekonvertering och lågkostnads DC/AC omvandlare. Department of Energy har vidare, i sitt nyligen startade Vision 21 program, valt SOFC/GT system som en av de mest lovande teknikerna för framtida kraftgenerering. Vision 21 är en fortsättning av det amerikanska ATS programmet och syftar till att utveckla och kommersialisera inom en tioårsperiod kraftverk med extremt höga verkningsgrader (75 % LHV av naturgas) och låga emissioner [15].

4 1.2 Europa Även EU stöttar forskning och utveckling av bränsleceller i Europa inom sitt fjärde (1994-1998) och nu femte ramprogram (1998-2002). Hittills har mer än 30 MEUR spenderas i det nuvarande ramprogrammet som syftar till att skapa nätverk av olika aktörer, att öppna upp och samkoordinera nationella och EU program och att stärka samarbete med länder utanför EU [25]. Forskning och demonstrationer stöttas av EU för nuvarande genom programmen Energy, Environment and Sustainable Energy och Competitive and Sustainable Growth. Idag är endast två industrier i Europa involverade i SOFC utveckling nämligen Rolls-Royce i England och Sulzer Hexis i Schweiz. Rolls- Royce utvecklar ett koncept kallad Integrated Planar SOFC som är huvudsakligen en kombination av den plana och tubulära cellen och där man nått höga strömtätheter. Sulzer Hexis utvecklar småskaliga SOFC system för el- och värmebehov i enskilda hus, där stacken är av plan, cirkulär typ och ger ca. 1 kwe [32]. Men även Alstom och BG Technology i England har studerat och utvärderat den plana SOFC stacken som Siemens, innan sammanslagningen med Westinghouse 1998, utvecklade. Övriga aktörer som kan nämnas är Forschungszentrum Juelich i samarbete med DLR i Tyskland, Risoe Forskningscenter i samarbete med Haldor Topsoe i Danmark och ECN i Nederländerna. 1.3 Japan I Japan är det NEDO som sponsrar och samordnar bränslecellsutvecklingen där. I ett program som heter New Sunshine Program undersöks olika bränsleceller bl.a. SOFC sedan 1989. En modul av tubulära celler (2.2 cm i diameter och 70 cm långa) i kw klass håller på att utvecklas av Kyushu Electric, TOTO och Nippon Steel. År 1998 nådde man en effekttäthet om 0.18 W/cm2, en degraderingstakt på 0.3%/1000h och en strömtäthet på 300mA/cm2 [28]. Dessutom pågår ett projekt som syftar till att öka prestanda och uthållighet för plan SOFC. Denna stack, som går under benämningen MOLB, använder korrugerade keramiska plattor för att öka kontaktyta med gaserna. Ingen degradering var synlig under ett 2800 h långt test inte ens efter flera termiska cykler. Det japanska företaget Mitsubishi Heavy Industries Ltd (MHI) utvecklar tubulär SOFC med målsättningen att kommersialisera kombinerade kolförgasning/sofc kraftverksanläggningar [27]. Utvecklingen hittills har nått till en 10 kw trycksatt SOFC modul som man tagit fram tillsammans med Electric Power Development Company (EPDC). År 1998 var denna i drift i mer än 7,000 timmar med en degraderingtakt omkring 1-2%/1000 h. Maximal effekt var 21 kw som erhölls vid en verkningsgrad omkring 35% (HHV för vätgas) och med ett bränsleutnyttjande av 75%. 2. Utvecklare och demonstrationer Idag kan tre aktörer identifieras som ledande inom SOFC utvecklingen; Siemens Westinghouse (USA), Ceramic Fuel Cell Limited (Australien) och Sulzer Hexis (Schweiz). Men forskning och utveckling görs även på annat håll i världen, se nedan. Signifikant för dagens SOFC utveckling är lägre spänningsdegradering, högre effekttätheter och enklare tillverkningsmetoder. Endast Siemens-Westinghouse har hittills byggt ett kombinerat SOFC/GT system. Andra utvecklare har vissa planer men har ej nått så långt i utvecklingen eller siktar in sig på den småskaliga elmarknaden (hus, villor), där enkla SOFC system är tillräckliga.

5 2.1 Siemens Westinghouse Siemens-Westinghouse har utvecklat fastoxidbränslecell av tubulär design sedan 1970- talet. Mer än 4000 katodbärande tuber (Air Electrode Supported, AES design) har testats under de senaste 7 åren, antingen som enstaka celler, cellpaket eller som en del av större system. Cellen har en diameter av 22 mm och en aktiv längd av 1500 mm och i deras nuvarande stackdesign används 1152 celler. Under 35000 drifttimmar har cellerna inte visat mer än 0.1%/1000 timmar degradering av spänningen och klarat termisk cykling utan påverkan. Ett 25 kw SOFC kraftsystem demonstrerades under 13000 timmar, ett 100 kw CHP system under 14000 timmar och, under trycksättning (7 bar), 48 cellpaket under 6000 timmar, utan någon väsentlig spänningsdegradering. Nyligen har Siemens- Westinghouse koncentrerat sig mot förbättring av prestanda inom ett temperaturintervall av 800-1000 C samt tittat på alternativa cellgeometrier. Jämfört med deras standardcell uppnår de nya cellerna 9% högre effekttäthet under 800 C och vid 250 ma/cm 2 strömtäthet. När det gäller cellgeometrin, visar tester med platta tuber en förbättrad prestanda med större effekttäthet och dessutom mindre kostnad per kw (se Fig. 1). Fig. 1 Bild av tubulär respektive platt tub För närvarande pågår två SOFC demonstrationer: ett 100 kwe SOFC-CHP system i Westervoort, Nederländerna och en 220 kwe PSOFC/MTG anläggning vid National Fuel Cell Research Centre (NFCRC) vid University of California, Irvine i USA. Anläggningen i Nederländerna är ett atmosfäriskt kraftvärmesystem drifttagen i början av 1998 av en grupp danska och nederländska energibolag, EDB/ELSAM. Uteffekten är 109 kw AC och 64 kw värme vid 46% el- och 27% termisk verkningsgrad enligt Verbeek [37]. Flera testprogram har utförts för att belägga prestanda och driftkarakteristik. Naturgas används som bränsle och elektriciteten levereras till nätet och värmen till ett lokalt fjärrvärmesystem. Anläggningen har haft en stabil drift i 14,000 timmar och garanterade värden har uppnåtts. Två större driftsavbrott har dock inträffat; ett efter 4000 timmar då stacken gick i sönder och fick genomgå en reparation, och ett

6 annat något senare p.g.a. fel i kraftelektroniken. Systemet består huvudsakligen av SOFC modul, kraftelektronik, avsvavlare, två rekuperatorer, luftfilter, fläkt och värmeväxlare allt monterat på en platta med dimensionerna 8.4x2.8x3.6 m (se Fig. 2). Slutsatserna är att ingen spänningsdegradering förekommit, ej heller några nämnvärda emissioner. Driften har varit stabil och tyst. Laständringsförmågan är begränsad till ca 5-9% per minut p.g.a. reglersystemet. Verkningsgrad för inverter är dock för låg (86%), livslängd för sorbent och luftfilter för korta, uppstarttider för långa (24 h) men framför allt kostnaden för hög för att betraktas som kommersiell idag [37]. Fig 2. 100 kw SOFC anläggning i Nederländerna Världens första hybridsystem bestående av en trycksatt SOFC och en gasturbin har nyligen tagits i drift av Siemens-Westinghouse i USA med finansiell hjälp av Southern California Edison, California Energy Commission och Department of Energy. Nominell effekt för detta system är 223 kwe varav 176 kwe kommer från SOFC och 47 kwe från en mikroturbin levererad av NREC,en division av Ingersand-Roll. Tryckförhållande är ca. 2.9 och turbinens inloppstemperatur 782 C. Den förväntade verkningsgraden är 57% baserat på det lägre värmevärdet av naturgas [38]. SOFC modulen är inbyggd i en tryckbehållare och är av samma design som anläggningen i Nederländerna. Gasturbinen är en två-axlad maskin där första axeln förser SOFC modulen med trycksatt luft och den andra axeln, kraftturbinen, producerar el (se Fig. 3). Dessutom är gasturbinen rekupererad för uppvärmning av ingående luft till SOFC modulen. En extern brännkammare och en eldad luftförvärmare används under uppstart men behövs inte efter att SOFC nått drifttemperatur. En s.k. FAT (factory acceptance test) test utfördes under våren 2000 då systemet kördes under 110 timmar med en effekt av 166 kw från SOFC och 22 kw från gasturbin. Målet var att belägga att systemet kunde starta, köras och stoppas. I maj 2000 installerades systemet vid University of California, Irvine, och gick i 154 timmar innan det nödstoppade. Anledning till stoppet var en avbränd kabel som antändes p.g.a en en liten läckström bränsle. Återstarten planeras för november 2000. Verkningsgraden har endast uppnått 51% (LHV) i dessa tidiga driftskeden och orsaken går att finna i dels läckageflöde av bränsle och dels en överdimensionerad mikroturbin vilken levererar mer luft än vad SOFC kräver och där överskottet måste bypassa stacken vilket sänker inloppstemperaturen till gasturbin och därmed effekten.

7 Fig 3. Schema över 220 kwe SOFC/GT system [35] För kommande tre år planeras utveckling av tre prototypsystem som skall vara enklare (bl.a. enaxlig gasturbin) och billigare än de befintliga systemen och där naturgas fortsättningsvis används som bränsle. De planerade system är sammanfattade i Tabell 1. Tabell 1 Planerade SOFC prototyp system [38]

8 2.2 Sulzer Hexis Sulzer i Schweiz har utvecklat bränsleceller sedan 1991 och bildade 1997 bolaget Sulzer Hexis. De har inriktat sig på 1 kwe kraftvärmesystem för enskilda hus. Systemet har integrerad naturgasreformer och en extra brännare som kan ge huset ett värmetillskott på 10 kwth. Sedan 1998 fälttestas sex system runt om i världen med naturgas som bränsle. Marknadsintroduktion beräknas ske år 2001 med ett prototypsystem. En stor fördel med småskaliga SOFC system är möjligheten att integrera en kompakt och enkel reformer. Cellen är av cirkulär plan typ och stack konceptet bygger på interconnect 1 som förutom att samla ström också leder och värmeväxlar gaserna (se Fig. 4). Cellens diameter är 120 mm och dess aktiva area ca. 100 cm 2. I stacken staplas 70 celler seriellt med en höjd av 518 mm. Bränslet matas genom mittenhålet medan luften blåses in från sidan. Fig. 4 Sulzer Hexis SOFC stack koncept Av kritisk betydelse är beläggningen av den metalliska interconnector för att hindra kromförångning. Sulzer Innotec har utvecklat en termisk sprayprocess för att lösa detta. Under en testperiod av 10,000 h har endast försumbar degradering ägt rum [10]. Industriella partners är Plansee, Österrike, interconnect, Nippon Shokubai, Japan, elektrolyt och ECN, Nederländerna, cell. Även katalytisk partiell oxidation används för bränslekonvertering och här samarbetar man med Shell i Nederländerna. Systemet består huvudsakligen av stack, termiskt integrerad ångreformer, luftförvärmare, brännare, DC/AC inverter och en kontrollenhet (se Fig 5). Byggda på erfarenheter från initiala testsystem levererades fyra system i slutet av 1998 och två system i slutet av 1999 för långtidstester (3 år). Kunder är gasleverantörer och lokala energiverk i Schweiz, Tyskland (2 st.), Japan, Spanien och Nederländerna. Sammanfattningsvis har följande åstadkommits: över 20,000 timmars drift, maximal verkningsgrad av 36 % (LHV) och max effekt av 1.04 kw. Efter en besvärlig inledning vidtogs åtgärder för att förbättra prestanda. Felen berodde främst på systemkomponenter (brännare och inverter) och inte på stacken. Men stoppen ledde ofta till skador på stacken och slutligen fick flera stackar ersättas. Tillgänglighet (antal fullasttimmar) efter den första testperioden ökade från 56 till 68 % [35]. 1 Elektrisk sammankoppling

9 Ett prototypsystem håller på att tagas fram som förutom att kunna använda naturgas som bränsle även kan använda olja, biogas och andra bränslen. Effekten kommer vara densamma (1 kwe) med en verkningsgrad på 25 % vid fullast och 40-50% vid 50% last [10]. Totalverkningsgraden kommer vara runt 90%, där värme levereras av både stack och brännare. En kostnad av 1000 US $ kan uppnås vid industriell produktion. Fig. 5. Sulzer Hexis SOFC testsystem 2.3 SOFCo SOFCo, ett helägt dotterbolag till McDermott Technology Inc (MTI) och Ceramatec Inc., båda från USA, har utvecklat plan SOFC sedan mitten av 1980-talet. Enstaka celler har testats i perioder om mer än 5 år och cellstackar har testats kontinuerligt i två år med en degraderingstakt mindre än 0.5%/1000 h [12]. Trots att cellstacken bara är en av flera systemkomponenter och inte utgör mer än ca. 25-33% av den totala systemkostnaden, måste ändå stackkostnaden reduceras. Volymproduktion är den viktigaste åtgärden för att få ner denna kostnad, men tillverknings- och monteringsmetod spelar även in. SOFCo använder en s.k. keramisk flerskiktsprocess för tillverkning av cellkomponenter. Då uppnås låga tillverkningskostnader, god kontaktyta mellan cellkomponenter och en välbeprövad metod. Vissa kombinationer av bandgjutning och filmtryckning är nödvändigt. Sambränning av elektroder och elektrolyt är också en metod som tillämpas. Både elektrolytbärande celler (180 µm) och tunnfilmsceller håller på att utvecklas med en storlek av 10x10 cm. Ett bränsleutnyttjande av 85% och ett luftöverskott av endast två möjliggör en hög cellverkningsgrad. Tillsammans med gasturbintillverkaren NREC har SOFCo utvecklat ett koncept av en bränslecell/gasturbin koppling. Systemet utnyttjar en atmosfärisk SOFC av plan design (beteckning Cpn ) och en indirekt eldad mikroturbin med en storlek av 70 kw och ett tryckförhållande av 3 [16]. Stacken är integrerad i en modul tillsammans med reformer och brännkammare. Systemet förväntas ge ca 726 kwe och 71.2 % elverkningsgrad (LHV). Konceptet bygger på att naturgas förvärms och förs till en ångreformer varefter den vätgasrika blandningen leds till stacken (anod). Luft komprimeras, värms i en högtemperaturvärmeväxlare och expanderar innan den förs till stacken (katod).

10 Oförbränt bränsle reagerar i efterbrännkammaren och de heta avgaserna utnyttjas sedan i reformern, gasturbincykeln, bränsleförvärmaren och slutligen i en ångpanna se Fig. 6. Fig 6. Atmosfärisk bränslecell/mikoturbin koppling Några angivna data: rekuperatoreffektivitet 94.7%, antal celler 15,616, cellspänning 0.76 V, inverterverkningsgrad 95% och generatorverkningsgrad 98%. Kritiskt för denna process är utvecklingen av en högtemperaturvärmeväxlare som kan tåla en temperatur av 950 C. Här har ett material från Plansee, PM2000, föreslagits. Baserat på en prognos av 50 stycken system har även en parametrisk kostnadsstudie gjorts m.a.p. kapitalkostnad, driftkostnad och s.k. ersättningskostnad. Total installationskostnad skulle uppgå till 454,850 US$, d.v.s. $625/kW, varav mikroturbinen skulle stå för 85000 $ och bränslecellsystemet för resten. Elproduktionskostnad (CoE) beräknades till 5.824 /kwh. Recept för att lancera denna teknologi är främst att reducera hårdvarukostnad, vidare att integrera systemets komponenter och att bygga en demonstrationsanläggning. 2.4 Ceramic Fuel Cell Limited CFCL etablerades 1992 som ett aktiebolag och ägs av sju australiensiska och nya zealändska energibolag och tre myndigheter. De första fem åren ägnades åt utveckling av plan SOFC teknologi och under de tre senaste åren har därtill kunskap i systemintegration och reglering tillkommit. Företaget har byggt upp en personalstyrka som idag uppgår till ca. 100 personer, en avsevärd mängd patent och en stor test- och utvecklingsfacilitet [18]. CFCL utvecklar plana celler av både elektrolytbärande och anodbärande typ varav den senare hör till den nya generationen celler som arbetar vid en lägre temperatur (700-800 C). Under 1997 och 1998 genomfördes 1.5 och 5.5 kw stacktester och nu senast demonstreras ett atmosfäriskt system på 25 kwe med elektrolytbärande celler. Målet är att analysera ömsesidig påverkan mellan stack och BoP, att utveckla och anpassa olika

11 BoP komponenter, att fastställa olika reglerstrategier samt att tillvinna sig erfarenheter av stapling av större antal celler. Testsystemet driftsattes nyligen med naturgas som bränsle och med en förväntad verkningsgrad på 43% (HHV) vid en strömtäthet av 150 ma/cm 2 och en effekttäthet av 0.10 W/cm 2.[14] I detta system (se Fig. 7) avsvavlas först bränslet och därefter förs vattenånga in med ett S/C 2 förhållande av 2.25. Bränsleblandningen går sedan till en förreformer för omvandling av de tunga kolvätena och slutligen förvärms det innan det går till anoden. I stacken omvandlas all metan internt genom ångreformering. Oförbränt bränsle i anodgaserna reagerar i en katalytisk efterbrännkammare tillsammans med katodgaserna. Luften transporteras först med en fläkt och därefter förvärms den med hjälp av heta katodgaser innan den når katoden. Stacken arbetar vid en temperatur av 850 C, ett bränsleutnyttjande av 85% och ett luftutnyttjande av 50%. Vissa värmeväxlare och reglerventiler är av specialdesign p.g.a. de höga temperaturer som råder kring stacken. Producerad likström omvandlas till växelström i en inverter med 93% verkningsgrad. Fig. 7. Lay-out av 25 kw systemet Stacken består av 3840 celler, arrangerade i 8 substackar, 30 skikt höga och med en 4x4 cellstruktur. Interconnect är tillverkad av rostfritt stål liksom gasdistributionskanaler. Celler som används i stacken har följande dimensioner; 100 µm tjockt 3YSZ elektrolytskikt, 50 µm tjockt Ni/YSZ anodskikt och 50 µm tjockt LSM katodskikt. Systemet var i drift i 400 h innan det stängdes av men följande slutsatser kunde dras: Systemkomponenter fungerade bra och enligt specifikationer, reglerfilosofi verkade stämma bra under alla utprovade driftsituationer (uppstart, störningar, nödstopp, avstängning). En fullständig systemanalys kunde dock inte göras p.g.a. fel orsakad av gasläckage i stack och dess omgivning. Huvudproblemet tros ligga i cellstrukturen (4x4) som är allt för stor. Som en följd därav genomfördes en liten stacktest med en mindre 2 Steam to Carbon ratio

12 cellstruktur, 2x2, 20 skikt hög, motsvarande ca. 600 W effekt. Resultaten var tillfredsställande med god tätning och med cellprestanda som låg 20% högre än tidigare. CFCL går nu in i en produktutvecklingsfas för att en dag bli kommersiell leverantör av bränslecellsystem. En produkt för den småskaliga elproduktionsmarknaden som når 60% verkningsgrad har mycket stor potential och kan uppnås genom att SOFC kopplas med en mikroturbin. CFCL ser det dock som en för stor risk att bygga ett sådant trycksatt hybridsystem idag. Istället kan överskottsvärmen användas i en absorptionsvärmepump och generera kyla. Dessutom utvecklar CFCL bränslekonverteringssystem för andra bränsletyper främst LPG [18]. 2.5 Global Thermoelectric Inc. Global Thermoelectric Inc. är ett företag beläget i Calgary i Kanada som levererar elektriska värmare. De utvecklar även lågtemperatur-sofc (600-750 C) för portabla, transport och husapplikationer. Tidigare har ett atmosfäriskt testsystem i kw klassen tagits i drift med naturgas som bränsle. Systemet består av tre huvuddelar; SOFC stack, integrerad modul (efterbrännkammare, värmeväxlare, bränslekonvertering) och lågtemperaturvärmeväxlare. I modulen äger indirekt intern reformering rum. I avlägsna områden ser de en användning av bränsleceller som katodskydd för minskning av korrosion av olje- och naturgaspipelines (storlek 1 kw) och till bl.a. telekommunikationsinstallationer (storlek 50 kw). Bränsleceller avser man även kunna leverera el och värme till enskilda hem och där går nu företaget in tillsammans med Enbridge, som är Kanadas största distributionsföretag av naturgas. Cellerna är av anodbärande typ med ett tunt elektrolytskikt (5-10 µm) av 8YSZ och interconnect av rostfritt stål, och tillverkas genom bandgjutning och filmtryckning. En effekttäthet på 720 mw/cm2 uppmättes vid 700 C (fuktig vätgas). Celldimensioner av 10x13 cm, 10x10 cm och 5x5 cm har testats. Tekniken bygger på Siemens nedlagda plana celldesign men egna förbättringar har gjorts. Just nu byggs en produktionsanläggning upp med en kapacitet av 10 MW per år. Degradering av spänningen är uppmätt till ca. 2.2% per 1000 h men efter 5000 h drift endast 0.53% per 1000 h. Stacken utnyttjar metallisk interconnect och en speciell tätning som tillåter snabb uppvärmning och avkylning och god termisk matchning mellan cell och interconnect. För SOFC system används naturgas som bränsle och företaget har utvecklat bränslekonverteringsteknik (partiell oxidation och reformering) som är termiskt integrerad med stacken. Den första demonstrationen utnyttjar ångreformering för att nå högre verkningsgrad och erhålla jämnare sammansättning på gasen. Mellan april och juni år 2000 testades ett system i kw klassen under 1150 h. Fyra substackar innehållande 15 celler användes. Uppstarten tog ca. 10 h och effekten som nåddes var 1.35 kw vid 20.9 V och 65 A. Verkningsgraden var 30% (LHV) vid en arbetstemperatur av 720 C, men 45% verkningsgrad eftersträvas. Nya demonstrationer planeras i storleksordningen 3 till 5 kw. Finansiering är säkrad för en tid framåt.

13 2.6 Risø Forskningscenter Det danska SOFC programmet började 1990. Målet har varit att utveckla konkurrenskraftig SOFC teknologi samt att etablera en dansk kompetens inom produktion av SOFC komponenter, stackar och system. Aktiviteter har finansierats av flera olika europeiska och nationella program. Involverade partner har varit Risoe Forskningscenter, DTU, Odense Universitet, Haldor Topsoe A/S samt IRD A/S [1]. Det är vid Risoe där nästan hela SOFC utvecklingen sker. Plana SOFC har identifierats som den mest lovande design eftersom, förutom att den kan uppnå en bättre effekttäthet jämfört med tuber, vid tillverkningen kan tillämpa de kostnadseffektivaste metoderna. För närvarande erhålls cellmaterial från Haldor Topsoe. Utvecklingen har koncentrerats både mot konventionella högtemperatur och mellantemperatur SOFC. Högtemperaturcellerna är elektrolytbärande (elektrolyt är 180 µm tjock) och tillverkas genom bandgjutning och spraybeläggning. Under de senaste åren har totala cellmotståndet förbättrats från 1 Ωcm 2 till mindre än 0.4 Ωcm 2 vid 950 C. Hos mellantemperaturcellerna som är anodbärande (anod är 250µm tjock) är elektrolyt bara 25 µm tunn. Cellernas totala motstånd är 0.3 Ωcm 2 vid 850 C, vilket är en avsevärt förbättring jämfört med högtemperaturcellerna [20]. Idag pågår flera parallella projekt gällande olika cellkomponenter. De kan sammanfattas i följande [1]: Interconnect: Här vidareutvecklas keramiska interconnect i samarbete med internationella partners för att ersätta de konventionella och dyrbara lantanumoxiderna. Egenskaper som eftersträvas är hög elektrisk konduktivitet under reducerad luftmiljö, termisk expansionskoefficient som matchar andra komponenter i cellen samt att inte genomgå fastransformation under tillverkningen och drift I samband med utvecklingen av mellantemperaturcellerna studeras metalliska interconnect, speciellt vissa billiga ferritiska rostfria stål med lågt krominnehåll. Katod: I samarbete med Rolls Royce Aerospace har en förbättrat katod (av traditionella material) tagits fram. Så kallade funktionella flerskiktkatoder har utvecklats då katoden är indelat i två delar med olika funktioner. En del används bara för gasledning (diffusion) till den andra elektrokemisk aktiva delen 3. En minskning av polarisationsförluster hos sådana katoder kunde observeras. Anod: Nickelanoder utvecklas med inblandning av små mängder av mangan i syfte att minska polarisationsförluster. En minskning av förlusten med 50-60% har uppnåtts med sådana anoder. Vidare undersöks alternativa material som skulle vara mer beständiga mot termiska påkänningar, speciellt när intern reformering skall tillämpas. Hittills har cerium identifieras som ett sådant material. Problemet med cerium är att dess katalytisk aktivitet för metanreformering är mycket lägre jämfört med nickel. Hittills har mindre stackar av högtemperaturteknologi testats. En stack på 0.5 kw bestod av 50 stycken, 8 8 cm 2, celler och testades under 2000 timmar. Cellerna arbetade under 1000 C och en effekttäthet av 0.15 W/cm 2 medan genomsnittligt cellmotstånd var 1 Ωcm 2. I samband med testerna genomfördes en ekonomisk studie i syfte att hitta nyckelkomponenter, när det gäller design och cellmaterial. Det viktigaste resultatet var att totala cellkostnaden varierade nästan linjärt med cellens totala motståndet. Följaktligen, har deras utvecklingsarbete varit inriktat mot vidare förbättring av det totala motståndet. 3 dvs här sker jonisering av syre.

14 När det gäller produktionskapacitet, har en pilotanläggning byggts vid Risoe där 2 MW/år celler skall kunna produceras med en reducerad kostnad, från 3000 Euro/kW till 1100 Euro/kW [2]. Med en ytterligare ökning av produktionsvolymen (över 2 MW/år) skulle kostnader kunna minskas till 500 Euro/kW. 2.7 Jülich Forschungszentrum Sedan 1995 har planformade SOFC av tvärströmstyp utvecklats vid Jülich Forschungszentrum i Tyskland. Syftet med utvecklingen har varit att genom användning av anod som bärande komponent i cellen minska arbetstemperatur till mindre än 800 C. På så sätt kan ett tunnare elektrolyt tillåtas och därmed kompenseras förluster p.g.a. övergång till den lägre arbetstemperaturen. Anoden består av två skikt, ett som har en bärande funktion och ett som är elektrokemiskt aktivt. Olika specialutvecklade tillverkningsmetoder används för framställning av de olika cellkomponenterna. Interconnector och tätningarna görs av ferritiskt stål respektive sammansatt glas [9]. Optimal cellprestanda uppnås med celler med aktivt anodskikt av 5 µm. Med befuktad vätgas som bränsle, en arbetstemperatur av 950 C och en cellspänning av 0.7 V blir strömtätheten 1.1 A/cm 2 och effekttätheten 0.77 W/cm 2. När arbetstemperaturen sänks till 750 C och med samma cellspäning minskar strömtätheten till 0.3 A/cm 2 och effekttätheten blir 0.22 W/cm 2. Jülich har gjort experiment med små cellstackar innehållande 2 celler med avsikt att fastställa inverkan av olika arbetsförhållande på degradering av cellstack. En del av cellerna hade degradering av mindre än 1%/1000 h då de arbetade under 800 C med befuktad vätgas som bränsle. Den andra delen av cellstacken hade degradering av 2.4-9% per 1000 timmar under samma arbetsförhållande. I början av 1998 inleddes tester med två stackar bestående av 5 celler, i ett laboratorium vid Global Thermoelectric i Calgary, Kanada. Båda stackarna uppnådde en strömtäthet av 300 ma/cm 2 vid 750 C och en cellspänning av 0.7 V/cell. Effekttätheten var 0.27 W/cm 2. P.g.a. problem med läckage avbröts experiment i förtid. Jülich kommer att fortsätta att inrikta sig mot tre huvudområden [7]: Utveckling av material och framställningsprocesser med tyngdpunkt på användning av tunnare elektrolyt och interconnect och bandgjutning av anodsubstrat. Ett flertal cell och stacktester med analys av cellkomponenter efter drift, för att undersöka grad av mekanisk och kemisk interaktion mellan komponenterna. Det visade sig att LSM 4 pasta som användes för bättre termisk matchning av katod och interconnect gav försämring av katodens katalytiska verkan. Det upptäcktes också lokal bildning av ett metalloxidskikt mellan interconnect och katodmaterial, som är känd för att leda till försämring av katodfunktionen. 2.8 Övriga SOFC utvecklare Det finns andra aktörer i världen som håller på med forskning och utveckling kring SOFC. Det kan röra sig om forskningscenter såsom, Pacific Northwest och Allied Signal i USA som utvecklar och testar material, celler och små stackar, men även tittar på tillverkningsmetoder. Vidare är många universitet engagerade med olika 4 Lanthanum Strontium Manganite

15 forskningsprojekt såsom LTH i Sverige och Universitetet i Genua i Italien som sysslar med modellering och simulering. Vissa företag som Rolls-Royce i England och Ztek i USA har en relativ stor verksamhet på SOFC men publicerar sig knappast. 3 Tekniska och ekonomiska hinder för kommersialisering På samma sätt som hos andra, konventionella, kraftgeneratorer består den totala bränslecellskostnaden av tre delar, investeringskostnaden, bränslekostnaden samt övriga drift- och underhållskostnader. Det krävs en kombination av låg total kostnad, god prestanda samt pålitlig och säker funktion för ett lyckat marknadsgenombrott (för varje ny typ av kraftgenerator) [42]. De olika målmarknadena för bränsleceller ställer olika krav när det gäller prestanda och kostnader. För bränsleceller i transporttillämpningar, till exempel, är kraven extremt låga investeringskostnader tillsammans med snabb upstarttid, kompakthet och bränsleflexibilitet. För stationära tillämpningar krävs det höga verkningsgrader, lång livslängd, men en högre investeringskostnad kan accepteras. SOFC samt SOFC/GT hybridteknologi har hittills identifierats som mest lämpliga i decentraliserad kraft- och värmeproduktion (kw upp till några MW) [42]. Ett system med decentraliserad generering utgörs av ett distributionssystem med ett antal mindre generatorer placerade i närheten av lasten. Småskalig kraftgenerering, en form av decentraliserad generering, innebär att hushåll och industrier har lokala kraftenheter, exempelvis stationära bränsleceller, solceller, vindkraft eller mikroturbiner. Kraftenheterna kan anslutas till elnätet vilket innebär att kunden kan hämta tillskott av el vid behov. Teknik för att kunden ska kunna leverera tillbaka överskottsel är under utveckling. Miljövinsterna skulle omfatta såväl effektivare användning som minskade transportförluster. Systemet skulle även vara ekonomiskt fördelaktigt för kunden och risken för omfattande elavbrott minska jämfört med ett traditionellt distribueringssystem från storskaliga kraftenheter.. Inom detta applikationsområdet bör nämnda SOFC teknologier konkurrera med befintliga, små gasturbiner samt gasmotorer. Även förnybar energi kommer att kunna öka sin marknadsandel, då främst bio- och vindenergi. Kombinationen av fastoxidbränslecell och mikroturbin, en SOFC/GT hybrid, innebär både ökad effektivitet och lägre emissioner (kväveoxidemissionerna blir försumbara och koldioxidutsläppen kraftigt reducerade). Hybriden bedöms uppnå lägre kapitalkostnad än en fristående SOFC samt dubblera verkningsgraden jämfört med en mikroturbin [15]. Jämfört med dagens konventionella tekniker, lider, emellertid, både SOFC och SOFC/GT teknologi fortfarande av höga investeringskostnader. 3.1 Investeringskostnaden Eftersom tekniken i första hand är avsedd för lågeffektsmarknader (framförallt de med höga lastfaktorer, d.v.s. verksamheter med "effekttoppar", till exempel sjukhus, universitet och hotell) kan något högre investeringskostnad accepteras. För en bredare marknadsintroduktion krävs ytterligare minskning av kostnaden. En stor del av investeringskostnaden består av tillverkningskostnaden och densamma beror av både tillverkningsmetod och av systemets fysiska utformningen.

16 Tekniskt mest utvecklade SOFC design är i tubform och den har redan nämnts som betecknande för Siemens Westinghouse Power Corporation (SWPC). För att kunna minska tillverkningskostnaderna fokuserar SWPC på att ta fram billigare metoder för framställning av pulver samt att utveckla alternativa beläggningsmetoder. Syfte med det senare är att undvika dyr elektrokemisk gasbeläggningsteknik, EVD 5 och att använda mindre kostsamma plasmasprejning istället. Nu inriktar sig SWPC mot förenkling av moduldesign, utveckling av automatiserade tillverkningsprocesser, utveckling av lågkostnadsmaterial, reduktion av antal av modulkomponenter samt integration av modulen med kringutrustningen eller BoP 6 system [5]. Vid tillverkningen av konventionella plana SOFC används idag bandgjutning eller bandvalsning, metoder som är något billigare än de som används vid tillverkning av SOFC tuber. I en plan SOFC är interconnect den dyraste komponenten i cellenheten. Kraven att den ska vara tillräckligt gastät samt innehålla gaskanaler gör denna komponent till den tjockaste i cellen. Detta innebär att det används större mängd av det dyrbara materialet lantanumkromoxid. P.g.a. tjockleken och speciellt när flödena är arrangerade i tvärström blir valet av tillverkningsteknik för gaskanalerna begränsad till bara få möjliga. Sambränning av cellkomponeneter föreslås ofta istället för dyr sintring. Det är tveksamt hur mycket man vinner på metoden eftersom cellerna ofta inte har samma kvalitet som sintrade celler [2]. Sambränning av YSZ och NiO anoder vid temperaturer över 1300 C kan resultera i diffusion av NiO in i elektrolytskiktet vilket kan påverka böjmotståndet av elektrolyten. Detta är en effekt som ökar med tiden och temperaturen. Sambränning av YSZ och lantanmanganoxid dopad med strontium (katodmaterial) vid temperaturer under 1300 C kan resultera i bildning av föreningar som kallas zirkonater och som negativt påverkar katodfunktion. Vidare kan sambränning av nickelanoder och krombaserade interconnct leda till oönskade materialreaktioner. SOFCo har dock redovisat i en studie [12] att deras sambrända celler uppnår 25% reduktion av cellmotståndet (ASR 7 ) jämfört med konventionella sintringsmetoder. Hög renhetsgrad används ofta när ett nytt material eller komponent skall utvecklas på laboratorienivå. Kommersialisering av SOFC kommer att kräva beslut hur pass rent ett material bör vara och om det kan ersättas ev ett annat material speciellt för de vanligast förekommande komponenterna. Kostnader av både rena lantanumblandningar och yttriumstabiliserad zirkonium (YSZ) är relativt höga. Vid en övergång från tillverkning på laboratorienivå till massproduktion kommer fabrikationsförluster att minska, men de kommer aldrig att försvinna p.g.a. att de är karakteristiska för tillverkningsmetoder som används. Därför är det viktigt att spill återvinns i fabrikationsprocessen. [2] 3.2 Mellantemperatur SOFC Denna teknik som går under benämningen IT-SOFC (Intermedium Temperature SOFC) är idag förhärskande inom den plana cellutvecklingen. Reduktion av arbetstemperaturen är en betydande insats som görs i syfte att reducera både bränslecell-och BoP kostnaden. Det finns emellertid, både positiva och negativa effekter av denna reduktion. De fördelaktiga effekterna är mest kopplade till BoP och kan sammanfattas i följande [15]: 5 Electrochemical Vapour Deposition 6 Balance of Plant 7 Area Specific Resistance

17 Sintring och krympning: Stackmaterial krymper mindre samt sintringseffekt 8 blir mindre. Termiska spänningar: Lägre arbetstemperatur kan generellt förbättra materialegenskaper och tillåta större geometrisk flexibilitet samt mindre användning av material. Detta leder till förbättrad cellprestanda och ökar även möjlighet för användning av olika tätningsmetoder. Materialflexibilitet: Det finns en större frihet när det gäller valet av cellmaterial lämpligt för lägre temperaturer, där speciellt metallegeringar kan användas. Idag har några alternativa material identifierats för interconnect, alla dock med högt krominnehåll. Materialproblem som förekommer är oxidation och avdunstning av Cr 2 O 3 till CrO 3 och detta påverkar negativt cellens specifika motstånd samt katodprestanda. Balance of Plant: Både BoP- och stackkostnad minskar när gaser som lämnar cellen är vid 800 C. Värmeförlust: En av nyckelutmaningarna för småskaliga SOFC system är att få bukt med värmeförluster. Ju högre värmeförluster desto mer rekuperation krävs. För samma isolering blir värmeförlust i mellantemperaturcell mindre. Speciellt strålningsförlust till omgivningen blir mindre eftersom den är en funktion av T 4. Uppstarttid: Tiden att uppnå arbetstemperatur blir kortare. Termiskt aktiverade processe: Alla de destruktiva processer som orsakas av höga temperaturer (avdunsting av krom, interdiffusion av olika cellmaterial, föråldringsprocesser av kerammaterial) kan elimineras. De negativa effekterna av temperaturreduktionen är: Cellspänning: Den totala cellspänningen blir lägre p.g.a. att cellkinetik, diffusion av gaser samt jonisk konduktivitet minskar med minskad temperatur. En ökning av elektrodernas överpotential vid lägre temperaturer kräver fortsatt elektrodutveckling i syfte att uppnå samma totala motståndet som under högtemperaturdrift.. Stackmaterial: Beprövade cellmaterial finns endast för temperaturer mellan 800-1000 C. De metoder som hittills har tillämpats för temperaturreduktion har varit utveckling av alternativa elektrolytmaterial med högre jonisk konduktivitet än det konventionella YSZ, förbättring av elektrodmaterial och användning av en tunn YSZ elektrolyt. Den mest använda metoden är den senare med tunnare YSZ elektrolytskikt eftersom materialets mekaniska och kemiska kompatibilitet och pålitlighet är välbeprövat under långtidstester. För alternativa material har sådana tester inte gjorts i någon större utsträckning. 3.3 Naturgas som bränsle Troligen kommer kommersialiserade SOFC system att använda naturgas som bränsle. Det finns några motstridiga aspekter angående nyttjande av naturgas. Om cellens anoder utsätts för naturgas, riskeras kolutfällning och anoden kan förstöras. Därför är det önskvärt att reformera naturgas externt. [2] Detta i sin tur innebär en ökning av systemkostnader. Eftersom nickel är en god katalysator kan intern reformering tillämpas i en SOFC. Vid 1000 C är reformeringsreaktionen väldigt snabb och dess endotermiska natur gör att det uppstår temperaturfall i den del av cellen som är nära bränsleinloppet. 8 Under höga temperaturer sintras materialpartiklar i elektroderna ihop varvid cellens aktivarea minskas.

18 Detta kan resultera i termiska spänningar i dessa delar och leda till strukturbrott. Därför är det nödvändigt att utveckla anoder som antingen är mer lämpade för intern reformering än dagens eller att möjliggöra direkt oxidation av metan från förreformerad naturgas. Med intern reformering undviks inte bara behov av extern reformering av metan utan behov av stackkylning minskas också. Men en extern reformer för konvertering av de tunga kolvätena i naturgas behövs alltid p.g.a kolutfällningsriskerna. 3.4 Systemkostnader och åtgärder för minskning Arthur D. Little har undersökt vilka kostnader som skulle vara aktuella för ett hybridsystem och för ett fristående SOFC system [36]. För hybridsystemet med en storlek på 2-5 MW och vid en tänkt tillverkningskapacitet av 150 enheter om år, beräknas tillverkningskostnaden uppgå till 700-1000 $/kw. Fig. 8. Kostnadsstruktur for SOFC/GT hybrid system [36] Naturgas skulle användas som bränsle och extern reformering tillämpas. I ett sådant system används en elektrolytbärande, plan SOFC med metallisk interconnect. Bränslecellen skulle arbeta vid 0.7 V spänning, 300-600 ma/cm 2 strömtäthet och 85% bränsleutnyttjande. När det gäller fördelning av kostnaden på olika systemdelar (Fig. 8) utgör BoP av systemet (förvärmare för upstart, gasturbin, kontrollsystem, säkerhetssytem) 60%, stacken (anod, katod, elektrolyt, interconnect) 30% medan BoP av stacken (tätningar, gasfördelare, tryckkärl, reformer) utgör 10% av totala kostnaden. För ett fristående SOFC system med en storlek på 5kW blir tillverkningskostnaden mellan 350 till 600 $/kw. Bränslecellen i ett sådant system är anodbärande, plan, SOFC med metallisk interconnect. Cellen arbetar under samma förhållande som cellen i hybridsystemet, men är bensindriven. Totala kostnaden utgörs (Fig. 9) med 45% av systemets BoP, 35% går åt stackkostnaden, medan BoP av stack, indirekta kostnader samt avskrivning utgör 20%.

19 Fig. 9. Kostnadsstruktur för ett fristående SOFC system [36] För att minska den totala kostnaden kan följande strategi tillämpas [22]. Antingen minska bränslekostnaden genom en ökning av systemets verkningsgrad eller minska investeringskostnaden genom kostnadsminskning av luftförvärmning samt bränslecellens BoP. För en förbättring av verkningsgraden och samtidig minskning av stackkostnader föreslås förbättringar av det totala cellmotståndet (ASR) som är en nyckelparameter. En minskning av ASR leder till en förbättring av cellprestanda (högre effektäthet) som i sin tur innebär att arbetstemperatur av cellen kan sänkas. En ökning av cellprestanda innebär också att mindre bränsle krävs vilket minskar bränslekostnaden. Det luftöverskott som SOFC arbetar med påverkar både kapitalkostnaden (storleken av värmeväxlare och fläktar o.s.v. ökar) och systemets verkningsgrad. Ett sätt att minska kostnader för luftförvärmning, som i sin tur också är cellens avkylningsluft, är intern luftförvärmning. Ett annat sätt kan vara intern reformering av bränslet vilket minskar behovet av luft för avkylning av cellen. Olika SOFC utvecklare använder de två principerna och intern luftförvärmning kan t.ex. hittas hos Siemens-Westinghouse design då luften värmeväxlas med avgaserna i cellens efterförbränningskammare. Det beräknas att en sänkning av luftöverskott från dagens 500 % ner till 200 % kan öka cellverkningsgrad med ca 10 %. 4 Jämförelse med konkurrerande tekniker De potentiella målmarknaderna för SOFC och SOFC/GT teknik kan indelas i två huvudgrupper: 1. Småskalig kraftvärmegenerering upp till 1 MW 2. Decentraliserad kraftvärmegenerering mellan 1-30 MW Den större kraftvärmegenereringsmarknaden, från 30 MW till flera hundra MW bedöms idag inte vara nåbar för tekniken p.g.a. att konventionella tekniker inom detta effektområdet (större gasturbiner, naturgaseldade kombicykler, koleldade kondenskraftverk o.s.v.) är både tillräckligt avancerade (höga verkningsgrader) samt är mindre

20 kostsamma. Samtidigt är gasreningstekniken på denna effektnivån mer ekonomiskt försvarbar och problemet med emissioner kan reduceras. 4.1 Småskalig kraftvärmegenerering upp till 1 MW I Tabell 2 presenteras de konventionella tekniker som kan användas inom detta effektområdet. Av dessa, har industriela gasmotorer, utvecklade antingen ifrån ottomotorer eller dieselmototrer, samt små gasturbiner identifierats som de största konkurrenterna till SOFC. Industriella gasmotorer, som är utvecklade från standardmaskiner, kompletteras ofta med ett litet värmeåtervinningssystem för värmeproduktion. Det är vanligare att sådana maskiner utvecklas från bensindrivna motorer än från dieselmotorer. Typiska elektriska verkningsgrader är 25-40 % för utteffekter mellan 20kW 1MW. Det bedöms att insatser i syfte att förbättra miljöprestanda (drift under höga luft/bränsle förhållande, katalytisk luftrening o.s.v.) kommer att resultera i något reducerade elektriska uteffekter. Samma inverkan på elektrisk prestanda har åtgärder, som vidtas för att minska systemets specifika kostnad. Framtidens förbättrade motorer skulle kunna nå en elektrisk verkningsgrad, som överstiger dagens med maximalt ca 20% procent [13]. Verkningsgrad och miljöprestanda är de nyckelfaktorer som talar för SOFC jämfört med denna teknik. Tabell 2: Kraftvärmeanläggningar för småskalig kraftvärmegenerering upp till 1 MW [13] Typical fuels Typical rating (electrical) Heat : Power ratio Thermal output Electrical efficciency (%) Overall efficiency (%) Capital cost ($/kw) Operation & Maintenance ( /kwh) Spark ignition gas reciprocating engine Gas Biogas 20kW-5MW Compression ignition reciprocating engine Destillate Heavy fuel oil Gas (dual fuel) 100kW- 30MW Simple cycle gas turbine Gas Biogas Destillate Combined cycle GT (with steam extraction) Gas Biogas Destillate Back pressure steam turbine Any Pass-out steam turbine Any 1MW+ 3MW+ 300kW+ 1MW+ 1:1 to 2:1 0.7:1 to 1.5:1 1.5:1 to 3:1 0.5:1 to 2:1 4:1 to 10:1+ 3:1 to 10:1+ Hot water Steam (rare) Hot water Steam Steam Hot air Steam Steam Steam 25-40 35-45 25-35 35-50 7-20 10-20 65-80 65-80 65-85 70-80 75-85 65-85 800-1300 700-1300 600-1200 750-1500 800-2000 800-2000 0.7-1.2 0.5-1.2 0.3-1 0.3-1 0.1-0.3 0.1-0.3 Det finns ett stort antal av gasturbiner under 1MW som idag används inom flygteknik, som hjälpmotorer samt för missildrift [26]. Sedan flera år tillbaka, har små gasturbiner med höghastighetsgenerator utvecklats under benämningen MTG (mikroturbin-

21 generator). Dessa har varit avsedda för elektriska hybridbilar och decntraliserad kraftgenerering. Ett antal företag har utvecklat enheter mellan 30 till 100 kw samt planerar utveckling upp till 300 kw. De viktigaste aktörerna i USA är Honeywell (tidigare Allied Signal), Elliot Energy, Capstone och Ingersoll Rand Energy Systems IRES (tidigare NREC). I Europa satsar Turbec (Volvo/ABB) på tekniken samt i Japan är det Kawassaki, Nissan/Honda och Toyota. De flesta av de nämnda företagen koncentrerar sig mot utveckling av kompletta system för både kraft-och värmegenerering. Huvudbeståndsdelarna i en mikroturbin är kompressor, rekuperator, turbin, generator och effektelektronik. Höghastighetsturbinen, som arbetar med ett varvtal mellan 50000-120000 rpm, kräver lämplig generator, effektelektronik (1000Hz måste omvandlas till 50 eller 60Hz) samt speciella bärlager, som är ett nyckelproblem för maskinens pålitlighet och livslängd. Fördelarna med mikroturbiner, jämfört med SOFC, är att de är kompakta samt att de kostar något mindre, dock mer än gasmotorer, av samma storlek. De kan generera högvärdig värme till skillnad från gasmotorer. Höga utloppstemperaturer kombinerade med ett högre tryck innebär att rekuperatorn blir en ganska dyr komponent (ca 100 Euro/kW) [6]. Elverkningsgrader är låga, mellan 20-30% för rekupererade turbiner, och ännu lägre för de icke-rekupererade, maximalt 20%. Prognoserna är att prisnivåerna av mikroturbiner skulle vara mellan 200-400 Euro/kW [5], men det är svårt att avgöra om priset bara gäller turbinen eller hela kraftvärmesystemet. Det enda tillängliga systempriset idag kommer från Bowman Power Systems, UK. Deras mikroturbinsystem kostar 1000 Euro/kW och priset är baserad på en större produktinsvolym. Tabell 3: Jämförelse mellan SOFC/Gasturbiner/Gasmotor [6] SOFC Gasturbin Gasmotor Uteffekt 100-1000 kw Verkningsgrad el 47 60% 25 35% 30 40% Spec. kostnad mål: 1500-1000 $/kw 1200-800 $/kw 1200-600 $/kw mål: < 500 $/kw Emissioner NO x < 1 ppm CO < 1 ppm NO x <25 ppm CO < 240 ppm NO x <115 ppm CO < 195 ppm Buller < 60 db (10m) < 65 db (10m) <103 db (1m) Utloppsvärme <1000 C <700 C <300 C Specifik volym 800 l/kw 30 l/kw 50 l/kw Status Demonstrationer startats Prototyper och första produkter finns Etablerade produkter finns En jämförelse mellan SOFC, mikroturbiner och gasmotorer i storlekar upp till 1MW visas i Tabell 3. De fördelar som SOFC tekniken (verkningsgrad, emmissionsnivåer, buller samt användbar värme) medför kan realiseras bara om kostnadsmålet av 1000-1500 Euro/kW uppnås. 4.2 Decentraliserad kraftvärmegenerering mellan 1-30 MW Effekter över 1MW upp till ca 30 MW bedöms vara mest intressanta för SOFC tekniken, speciellt därför att konkurrensen från de konventionella teknikerna inom tillämpningsområdet är mindre [13]. (Även om det idag demonstreras mindre SOFC enheter) De applikationer som är intressanta inom detta effektområde är olika fjärrvärme-och