Transcript Möjlighet och potential för bränslecellssystem för

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 kWe) och flerfamiljshus ( 50 kWe) belägna i
tätorter.
• Tillgång till fast elnät samt gasdistributionsnät av antingen naturgas eller
biogas förutsätts.
Bränslecellsteknik jfr. med termiska processer
Värme
Syre/Luft
Bränsle
Kemisk energi
Termomekanisk
teknik
Termisk energi
Mekanisk energi
Elektrisk energi
Bränslecellsteknik
Bränslecellsteknikens för- och nackdelar
-
++
Principskiss av bränslecellssystem
Bränsle
Fuel
Air
+
värme
katalysator
Väterik
gas
Water
vatten
HCs
H2S
Rening
Olika metoder finns för reformering (SREF, ATR, CPO)
H2O
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.
H2
CO
N2
CO2
Bränsle
cell
Kraft
Värme
Olika bränslecellsprinciper
LT-PEMFC, 60-90 C
AFC, 50-250 C
Ökande driftstemp, T.
Air
LT-PEMFC (HT-PEMFC)
och SOFC i dagsläget de
mest aktuella för m-CHP
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 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 kWe/2 kWth (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 (LTPEMFC).
Målsättning livslängd 40-90 000 timmar
forts. ENE-FARM
• Listpris
År 2010
250-270 kSEK/enhet
År 2011
210 kSEK/enhet
År 2015
40-60 kSEK/enhet, ≥ 100 000 enheter/år/leverantör
År 2020-
< 30 kSEK/enhet
MÅL!
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 kWe) 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/kWe
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 kWe, SOFC.
Företaget Bloomenergy utvecklar m-CHP för flerfamiljshus. 100 kWe, SOFC.
Australien
•
Företaget Ceramic Fuel Cells Limited (CFCL) utvecklar m-CHP, under namnet
BlueGen. 2 kWe, 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 kWe/1.2 kWth) 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
1. Kondenserande gaspanna inkl. brännare och vvx.
2. Styr- och reglerteknik
3. Bränslefilter
4. Bränslecellsmodul
5. Bränslecellsstack (IT-SOFC)
2
3
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 kWe) baserade på LT-PEMFC, HT-PEMFC och HT-SOFC för
drift med naturgas.
Finland
•
•
•
•
•
Företaget Wärtsilä Corp. utvecklar m-CHP (20, 50 kWe) 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.
Sverige
•
2 demonstrationsprojekt i GlasHusEtt, Hammarbysjöstad, Stockholm.
1)
2)
•
Inom EU
Under perioden 2002-2005, hybridsystem inkl. reformer,
elektrolysör, vätgastankar, solceller, LT-PEMFC (4 kWe). Drift
med vätgas/biogas.
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.
Pågående EU-program
• H2SUSbuild
Utveckling av ett autonomt hybridsystem (50 kWe) under perioden 20082012. Drift med naturgas/vätgas. LT-PEMFC.
För mer info, se: http:// www. h2susbuild.ntua.gr
Pågående EU-program
• H2ome
Utveckling av m-CHP för flerfamiljshus (28/48 kWe), 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..)
Jämförelse av el- och gaspris [3]
Potential för m-CHP
Elpris (fast nät)
Elpris (m-CHP)
Gaspris
0.2
0.1
Ita
lie
n
0
Sv
er
ig
e
Da
nm
ar
St
k
or
br
ita
nn
ie
n
Ty
sk
la
nd
Euros / kWh
0.3
[3] http://www.energy.eu/
Jfr. mellan bränsleceller och alternativa tekniker för m-CHP
Ekonomi
Bränsleceller
Idag: 210
kSEK/kWe
År 2015: 40-60
kSEK/kWe
Teknik
EL=35-45 %
Ljudnivå 30-40dB@1 m
Inga rörliga delar
Komplex
Omogen =Dyr!
värme:el=0.5-2:1
Bensinmotorn
Idag: 30-70
kSEK/kWe
EL 20-35%
Ljudnivå:44-56 dB@1 m
Mogen=Billig!
Miljö
Högst EL minst
mängd växthusgaser
75-90 % mindre NOx1
75-80 % mindre
partikelutsläpp1
Omkring 10 x än Stirling2
värme:el=2-3:1
Stirlingmotorn
Idag: 60-140
kSEK/kWe
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 kWe
Kompakt, tyst och effektiv
10 kW värme
6 kW kylning
1.5 kWe
Överskottsvärme
bränsle,
100%
verkningsgrad
verkningsgrad
200-250 %
100-150 %
verkningsgrad
35 %
v;200-250%
COP=5
VP
Kraft (el), 30-40%
FPS/
FC
Högkvalitativ värme,
60-70%
ComfortPower
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!