Effektiv konvertering af vedvarende energi vha. fastoxid-celler

Motivation og baggrund. Både Danmark og EU har et stadigt stigende behov for energi og er fortsat meget afhængige af fossile energikilder. Der er bred politisk og faglig enighed om, at dette ikke i længden er en holdbar situation, og at der bl.a. af hensyn til forsyningssikkerheden er behov for en øget rolle for vedvarende energi i fremtidens samfund. I et samfund, der overvejende er baseret på vedvarende energi, kommer oplagring og transport af denne energi fra produktionssted til forbrugssted til at spille en vigtig rolle. Således vil det være en fordel, at elektricitet fra fx vindkraft kan konverteres til kemisk energi i form af brint, metanol, metan m.v., som er lettere at lagre og at anvende i køretøjer, og omvendt vil det være en fordel, at kemisk energi i form af biobrændsler eller syntetisk fremstillede brændsler kan konverteres til elektricitet og varme ved forbrugsstedet. Derfor kræver en udbredt anvendelse af vedvarende energi et gennembrud inden for mere effektiv energikonvertering og -lagring. I en brændselscelle sker der en konvertering af kemisk energi til elektricitet med høj virkningsgrad. Endvidere er det muligt at vende processen i cellen om, så den fungerer som en elektrolysator, der ud fra elektricitet og vand fremstiller brint og ilt. Fastoxid-brændselsceller (SOFC, solid oxide fuel cells) og fastoxid-elektrolyseceller (SOEC, solid oxide electrolyser cells; under ét kaldes de to typer celler SOC) er særligt lovende kandidater til billige og effektive energikonverteringssystemer. SOFC kan omsætte mange typer brændsler med stor effektivitet til elektricitet og varme. For økonomisk optimerede ’stand-alone’-enheder kan elvirkningsgraden blive næsten 60%, hvortil kommer ca. 30% varme af høj kvalitet. Sammenkoblet med en gasturbine forventes større anlæg at kunne opnå en elvirkningsgrad på omkring 70%. En af fordelene ved SOFC i forhold til andre typer brændselsceller er den store fleksibilitet i valget af brændsler. Således vil en SOFC fungere med fx bioetanol, biogas, forgasset træflis og metan. Sådanne brændsler er lettere at lagre og transportere end ren brint og gør det i vid udstrækning muligt at genbruge den eksisterende infrastruktur. Sammenlignet med konventionel afbrænding af biobrændsel har SOFC mulighed for en langt højere virkningsgrad og i særdeleshed meget høj elvirkningsgrad. Derudover kommer miljøfordele som minimale udslip af SOx og NOx og reduceret støj. Ved elektrolyse af vanddamp kan SOEC fremstille brint og ilt med et energiforbrug, der er væsentligt lavere end konventionelle elektrolysatorers. Den høje driftstemperatur gør det desuden muligt at fremstille metanol og metan ved elektrolyse af blandinger af CO2 og vanddamp. Disse produkter vil nemt kunne lagres, transporteres og anvendes i fx brændselsceller. SOEC-enheder vil være robuste (således har NASA et projekt til udvikling af et SOEC-system, der skal fremstille ilt på Mars ) og er mekanisk set simpelt opbyggede. SOC er således enestående ved at give mulighed for at anvende den samme højeffektive teknologi til energikonvertering både ved produktionsstedet og ved forbrugsstedet. Opbygningen af en SOC er skitseret på figuren. Hver celle giver kun en spænding på ca. 0,75 V, hvilket gør det nødvendigt at serieforbinde cellerne i en stak for at få brugbart høje spændinger. At SOC endnu ikke er på markedet skyldes, at priserne for SOC-systemer stadig er for høje, og at problemer med levetid og pålidelighed endnu ikke er løst. For at kunne anvende væsentlig billigere materialer, øge robustheden og opnå lange systemlevetider er det nødvendigt at sænke driftstemperaturen. Det lader sig kun gøre, hvis cellens indre elektriske modstand sænkes (idet cellemodstanden generelt vokser med faldende temperatur): Der er en direkte sammenhæng mellem modstanden og prisen pr. kW el fremstillet i en brændselscelle, og ligeledes mellem modstanden og prisen pr. m3 brint fremstillet i en elektrolysator. Der er i Danmark en solid ekspertise i fastoxid-brændselsceller inden for programmet DK-SOFC med deltagelse af industrien (Haldor Topsøe, IRD Fuel Cells), universiteter (SDU, DTU) og Risø. Ydeevnen af de danske brændselsceller er igennem de seneste år forbedret så radikalt, at driftstemperaturen for systemerne har kunnet sættes ned fra oprindeligt 1000 deg. C til ca. 750 deg. C. Denne type celle er under opskalering og udvikling til kommercielle nicheanvendelser, hvor en forholdsvis høj pris er acceptabel. En yderligere reduktion af driftstemperaturen til ca. 600 deg. C vil gøre det muligt at anvende rustfrie stål til både den strukturelt bærende del af SOC’en og interconnecten (den komponent, der forbinder to celler i en stak), dvs. volumenmæssigt og prismæssigt vil en SOC-stak blive domineret af billigt stål, og den aktive celle vil være en meget tynd keramisk komponent på stålet. For at opnå den nødvendige reduktion i den indre modstand, kræves en væsentligt forbedret grundviden om de relevante kemiske og mekaniske processer. Det er desuden nødvendigt med en dybere økonomisk analyse for at få et mere sikkert tal for hvor lav en indre modstand, der er nødvendig for forskellige anvendelser. Det nærværende projekt identificerer en række afgørende områder, hvor øget forståelse af de grundlæggende processer vil give viden om, hvordan den indre modstand af fastoxid-celler kan mindskes. Projektet vil dermed bidrage til at bringe SOC nærmere en økonomisk realitet. Den erhvervede viden vil indgå centralt i den langsigtede forskning og udvikling inden for DK-SOFC, som er støttet af EFP- og PSO-programmerne, og vil dermed være med til at sikre, at Danmark fortsat er med i den internationale front inden for en teknologi, der får afgørende betydning i fremtidens bæredygtige samfund