Department of Science and Technology Institutionen för teknik och naturvetenskap
Linköpings Universitet Linköpings Universitet
SE-601 74 Norrköping, Sweden 601 74 Norrköping
Bränsleceller i fyrar - en
alternativ energiförsörjning
av fasta nautiska
navigationshjälpmedel
Markus Ottosson
2005-06-07
Bränsleceller i fyrar - en
alternativ energiförsörjning
av fasta nautiska
navigationshjälpmedel
Examensarbete utfört i Elektroteknik
vid Linköpings Tekniska Högskola, Campus
Norrköping
Markus Ottosson
Handledare Joakim Nordlund (Cellkraft AB)
Handledare Per Ekberg (Sjöfartsverket)
Examinator Mats Fahlman
Norrköping 2005-06-07
Rapporttyp Report category Examensarbete B-uppsats C-uppsats D-uppsats _ ________________ Språk Language Svenska/Swedish Engelska/English _ ________________ Titel Title Författare Author Sammanfattning Abstract ISBN _____________________________________________________ ISRN _________________________________________________________________
Serietitel och serienummer ISSN
Title of series, numbering ___________________________________
Nyckelord
Keyword
URL för elektronisk version
Institutionen för teknik och naturvetenskap Department of Science and Technology
2005-06-07
x
x
LITH-ITN-ED-EX--05/017--SE
Bränsleceller i fyrar - en alternativ energiförsörjning av fasta nautiska navigationshjälpmedel
Markus Ottosson
Rapporten utreder bränslecellsteknikens lämplighet som energikälla till sjömärken i allmänhet och fyrar i synnerhet. Ingående tekniker, såväl rörande bränsleceller som fyrar, presenteras i två
introducerande kapitel. Vidare utreds problematiken kring lagring och hantering av vätgas. Slutsatser från de inledande delarna leder fram till ett systemförslag. Avslutningsvis presenteras en en kortfattad ekonomisk analys.
Rapporten visar att tekniken i sig är lämplig. Sjöfartsverkets krav vad gäller tillförlitlighet och livslängd uppfylls i exempelsystemet. Utbyggnadsmöjligheterna är goda, vilket öppnar för nya funktioner hos fristående fyrar. Det är dock i dagsläget svårt att ekonomiskt konkurrera med bentliga lösningar. Huvudproblemet är när det gäller bränslecellerna är gasförsörjningen.
Gastransporter är en högst oönskad verksamhet, vilket gör att den enda attraktiva lösningen blir lokalt producerad vätgas genom elektrolys. Där för
erforderlig apparatur är kostsam och adderar systemkomplexitet.
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –
under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga
extra-ordinära omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,
skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för
ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten
vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av
dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,
säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ
art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i
den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan
beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan
form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära
eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se
förlagets hemsida
http://www.ep.liu.se/
Copyright
The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible
replacement - for a considerable time from the date of publication barring
exceptional circumstances.
The online availability of the document implies a permanent permission for
anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to
use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.
Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses
of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The
publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,
security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be
mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected
against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press
and its procedures for publication and for assurance of document integrity,
please refer to its WWW home page:
http://www.ep.liu.se/
Bränsleceller i fyrar
en alternativ energiförsörjning av fasta nautiska navigationshjälpmedel
-Markus Ottosson 10 september 2005
Rapporten utreder bränslecellsteknikens lämplighet som energikälla till sjö-märken i allmänhet och fyrar i synnerhet.
Ingående tekniker, såväl rörande bränsleceller som fyrar, presenteras i två introducerande kapitel. Vidare utreds problematiken kring lagring och han-tering av vätgas. Slutsatser från de inledande delarna leder fram till ett systemförslag. Avslutningsvis presenteras en en kortfattad ekonomisk ana-lys.
Rapporten visar att tekniken i sig är lämplig. Sjöfartsverkets krav vad gäller tillförlitlighet och livslängd uppfylls i exempelsystemet. Utbyggnadsmöjlig-heterna är goda, vilket öppnar för nya funktioner hos fristående fyrar. Det är dock i dagsläget svårt att ekonomiskt konkurrera med be ntliga lös-ningar. Huvudproblemet är när det gäller bränslecellerna är gasförsörjningen. Gastransporter är en högst oönskad verksamhet, vilket gör att den enda at-traktiva lösningen blir lokalt producerad vätgas genom elektrolys. Där för erforderlig apparatur är kostsam och adderar systemkomplexitet.
Tack till
Handledare
Joakim Nordlund, Cellkraft AB Examinator
Mats Fahlman, ITN Linköpings Universitet Kontaktperson
Per Ekberg, Sjöfartsverket Anders Ocklind, Cellkraft AB Dave Wol, Proton Energy Systems Tom Maloney, Proton Energy Systems
Latchezar Buzokov, Labtech Alloy Inc Sven Kurin, Sjöfartsverket Christian Lagerwall, Sjöfartsverket
Mats Palmgren, Sjöfartsverket
Speciellt tack riktas till: Reneé Modigh, Sjöfartsverket.
1 Introduktion 8 1.1 Inledning . . . 8 1.2 Syfte . . . 9 1.3 Metod . . . 9 2 Bränslecellsteknik 12 2.1 Kort historik . . . 12 2.2 Bränslecellens funktion . . . 13 2.2.1 Grundprincip . . . 13 2.2.2 Uppbyggnad . . . 14 2.2.3 Karaktäristik . . . 15 2.3 Bränslecellstyper . . . 17 2.3.1 Användning i fyrar . . . 19 2.4 Vätgas . . . 19 2.5 Dagens PEFC-system . . . 20 2.5.1 Uppbyggnad . . . 21 2.5.2 Egenskaper . . . 22 3 Fyrteknik 24 1
3.1 Sveriges sjömärken . . . 24 3.1.1 Fyrar . . . 24 3.1.2 Lysbojar . . . 26 3.1.3 Lysprickar . . . 26 3.2 Energiförsörjning . . . 26 3.2.1 Primära energikällor . . . 26 3.2.2 Sekundära energikällor . . . 27
4 Vätgashantering och lagring 29 4.1 Lagringsteknik . . . 30 4.1.1 Kemisk lagring . . . 30 4.1.2 Tryckkärl . . . 31 4.1.3 Metallhydrider . . . 32 4.2 Logistik . . . 35 4.2.1 Transport av tryckkärl . . . 35 4.2.2 Tankning . . . 35 4.3 Lokal elektrolys . . . 36 4.3.1 Allmänt . . . 36 4.3.2 Verkningsgrad . . . 37 4.3.3 Vattenförsörjning . . . 40 4.3.4 Vattenåtervinning . . . 41 4.4 Säkerhet . . . 43 4.5 Slutsatser . . . 44 4.5.1 Primär energi . . . 44 4.5.2 Sekundär energi . . . 45
5 Bränslecellens plats i dagens fyrteknik 46
5.1 Teknikens införande . . . 46
5.2 Den marina miljön . . . 48
5.2.1 Kyla . . . 48
5.2.2 Salt . . . 49
5.2.3 Fukt . . . 50
5.2.4 Geogra ska variationer . . . 50
5.2.5 Solinstrålning . . . 51
5.3 BC som primär energikälla . . . 53
5.3.1 Energibuert . . . 53
5.3.2 Solpanelers existens . . . 53
5.3.3 Serviceintervall . . . 54
5.3.4 Eektkrav . . . 54
5.3.5 Logistiska överväganden . . . 54
5.4 BC som sekundär energikälla . . . 55
5.4.1 Egenskaper . . . 55
5.4.2 Bränslecellens lämplighet . . . 55
5.4.3 Logistiska och tekniska överväganden . . . 55
5.5 Miljöaspekter . . . 56 5.5.1 Nätanslutna fyrar . . . 57 5.5.2 Dieselaggregat . . . 57 5.5.3 Batterier . . . 58 6 Systemets utformning 59 6.1 Inledning . . . 59 6.2 Översikt . . . 60
6.3 Systemkomponenter . . . 61 6.3.1 Byggnad . . . 61 6.3.2 Fyrutrustning . . . 61 6.3.3 Bränslecell . . . 62 6.3.4 Batteri . . . 64 6.3.5 Elektrolysör . . . 65 6.3.6 Dejonisator . . . 67 6.3.7 Gaslager . . . 67 6.3.8 Solpaneler . . . 69 6.3.9 Vattentank . . . 70 6.4 System . . . 70 6.5 Eektökning . . . 70 7 Ekonomisk analys 73 7.1 Komponenter . . . 73 7.1.1 Bränslecell . . . 73 7.1.2 Elektrolysör . . . 74 7.1.3 Gaslager . . . 74 7.1.4 Solpanel . . . 75 7.1.5 Batteri . . . 75 7.1.6 Styrsystem/fyrljuslåda . . . 76 7.1.7 Övrigt . . . 76 7.2 Underhåll . . . 76 7.2.1 Bränslecell . . . 76 7.2.2 Elektrolysör . . . 76 7.3 Total kostnad . . . 77
7.3.1 Bränslecellsbaserat system . . . 77 7.3.2 Traditionellt system . . . 77 7.3.3 Slutsats . . . 78 8 Slutsatser 79 A Metaller 86 B Solinstrålningsdata 87
2.1 Bränslecellens grundprincip. . . 13
2.2 Bränslecellens interna uppbyggnad. . . 14
2.3 Samband mellan spänning, ström och eekt. . . 16
2.4 Ett bränslecellssystems delar. . . 21
4.1 Skillnad i verkningsgrad . . . 38
5.1 Fyrars eektspann. . . 48
5.2 Geogra ska variationers inverkan på salt- och frostproblematik. 51 5.3 Soltimmar för Visby, (h). . . 52
5.4 Genomsnittligt instrålad solenergi, (kW h/m2). . . 52
6.1 Fyren Kungsgrundet, belägen utanför Västervik. . . 59
6.2 Systemets ingående delar, översikt. . . 60
6.3 Exempelsystemets komponenter. . . 71
2.1 Storlek och vikt för olika bränslecellssystem. . . 23
4.1 Energiinnehåll för olika bränslen . . . 29
4.2 Termodynamiska egenskaper för vätgas. . . 43
5.1 Dieselaggregatens gångtider . . . 58
6.1 Eektegenskaper fyrljus . . . 61
6.2 Eektegenskaper fyrljus med kringutrustning . . . 62
6.3 Speci kationer Cellkraft S-50 . . . 63
6.4 Egenskaper, Hogen elektrolysör (modi erad Hogen GC) . . . . 67
6.5 Egenskaper, Labtech Alloy Research HBond 10000 . . . 68
6.6 Egenskaper, solpanel NAPS NP52 . . . 69
7.1 Kostnader vid användning av tryckkärl . . . 75
7.2 Kostnader för ett bränslecellsbaserat system . . . 77
7.3 Kostnader för ett solcell/batteri-system . . . 78
A.1 Förekommande metallbeteckningar . . . 86
Introduktion
1.1 Inledning
Behovet av och intresset kring nya alternativa energikällor är stort. Ett av alternativen är bränsleceller, en teknik som varit känd under en lång tid men som nu börjar nå en mognad vilken gör den praktiskt användbar. Tekniken kan användas inom många områden, vissa lämpligare än andra. Framdriv-ning av bilar har traditionellt sett varit det område som givits mest utrymme i media och är därför den mest kända tillämpningen. Massproduktion och kommersialisering av bränslecellsdrivna bilar ligger dock, främst av ekono-miska orsaker, en bit in i framtiden. Företag som livnär sig på att utveckla och tillverka bränslecellssystem söker därför nya användningsområden för sin teknik.
En tänkbar sektor, där bränslecellstekniken är tillämpbar, är energiförsörj-ning av navigationshjälpmedel i form av fyrar. Aktiva sjömärken får idag sin energi från batterier, solpaneler och vindgeneratorer. Driften av fyrar är traditionellt sett ett område där alternativa energilösningar fått utrymme. Sjöfartsverket, som under- och upprätthåller Sveriges fyrpark, var tidigt med att testa och införa såväl vindkraft som solenergi. Bränsleceller är ett mo-dernt och oprövat alternativ som skulle kunna få betydelse i dagens marina system.
Cellkraft AB, en tillverkare av bränslecellslösningar, är tillsammans med Sjöfartsverket uppdragsgivare för denna rapport.
1.2 Syfte
Rapporten syftar utreda huruvida bränslecellstekniken är tillämpbar som energikälla till fyrar. Vidare ska genom rapporten klargöras hur ett bräns-lecellsbaserat system skulle kunna se ut och visa kostnader för en eventuell realisering.
1.3 Metod
Arbetet inleddes med en studie av de två skilda teknikområdena bränsleceller och fyrteknik. Dels användes litteratur och rapporter, dels baserades studien på samtal med personer kunniga inom något av dessa områden. Vidare ge-nomfördes ett besök på ett servicefartyg för att ta del av vardagen på havet. När sedan en helhetsbild över problemet kunde skapas inleddes arbetet med att utreda hur teknikerna på bästa sätt skulle kunna kombineras. Resultat, diskussioner, beräkningar och förslag samlades sedan i denna rapport. Bränslecellsteknik
Kapitel 2, Bränslecellsteknik, är resultatet av litteraturstudier kring ämnet. Främst är det G Hoogers Fuel Cell Technology Handbook och S Thomas/M Zalbovitz Fuel Cells - Green Power som har bidragit. Dessa båda publikatio-ner är breda orienterande verk som grundligt beskriver bränslecellsteknikens principer och sidor. Vidare har Cellkraft AB delat med sig av sin kunskap på vissa områden, i synnerhet när det gäller avsnittet om dagens PMFC-system. Fyrteknik
Kapitlet är en kort introduktion avsedd för läsare ej insatta i fyrteknik. Uppgifterna i kapitlet kommer i huvudsak från tre källor; Farledsregistret, Svensk Fyrlista år 2000 och skriften Fyrar, bojar och prickar. Den senare är skriven av Christian Lagerwall, Sjöfartsverket.
Vätgashantering och lagring
Det tredje kapitlet, Vätgashantering och lagring, avslutar de i huvudsak te-oretiskt beskrivande kapitlen. De presenterade uppgifterna är hämtade från
litterära källor, såsom Tero Hottinens rapport Technical Review and Econo-mic Aspects of Hydrogen Storage Technologies, och Dogan Bilals Overview of hydrogen storage tank for metal hydrides. Källorna kompletteras med uppgif-ter från speci ka tillämpningar, såsom Stockholms bränslecellsbussar, ECD Incs scooter och GlashusEtt i Hammarby.
Kapitlet rymmer en del beräkningar. Samtliga bygger på grundläggande fy-siska samband som allmänna gaslagen och eektsamband. Vissa data har hämtats ur ångtryckstabell. Tack till Cellkraft AB för hjälp med detta. I stycket om elektrolysörer har Dave Wol och Tom Maloney från Proton Energy Systems varit till hjälp. H2 Forum, en intresseorganisation för
vätee-nergi, har bistått med uppgifter till stycket om säkerhet.
Kapitlet avslutas med ett antal sammanfattande slutsatser kring vätgashan-tering och lagring.
Kombinationsmöjligheter
I kapitel 5, Bränslecellens plats i dagens fyrteknik, diskuteras hur de två förstnämnda av ovanstående teknikområden kan kombineras. Kapitlet bygger i stor utsträckning på dialog med personer på Sjöfartsverket. Framför allt har Christian Lagerwall, Stefan Lemiezevsky, Sven Kurin och Lars W Andersson varit behjälpliga. Vidare stöds resonemangen av klimatstatistik från SMHI och uppgifter från Farledsregistret FAREG. Kapitlet utgör huvuddelen av den diskussion som förekommer i rapporten.
Exempelsystem
I det sjätte kapitlet, Systemets utformning, presenteras ett system som byg-ger på givna förutsättningar från de tidigare delarna i rapporten. En exem-pelfyr valdes (Kungsgrundet) och ett nytt energisystem konstruerades med avsikt att driva fyren med en bränslecell. Den föreslagna lösningen innehåller speci ka komponenter från några av branschens tillverkande företag - Cell-kraft AB (bränslecell), Proton Energy Systems (elektrolysör), HBLNife (bat-terier), NAPS Systems Oy (solpaneler) och Labtech Alloy Inc (vätgaslager). Varje enskild aktör har bistått med information kring aktuell komponent.
Ekonomisk analys
På begäran rymmer rapporten även en kortfattad ekonomisk analys, där kostnader för de ingående komponenterna redovisas. Ovan nämnda företag har bistått med prisuppgifter och prognoser för prisutvecklingen i framtiden. Som jämförelse presenteras även motsvarande siror för dagens system. Sven Kurin på Sjöfartsverket har varit behjälplig under detta arbete.
Bränslecellsteknik
2.1 Kort historik
Bränsleceller är absolut ingen ny företeelse. Redan 1839 insåg William R Groove under forskning i Wales grundprincipen för att omvandla vätgas di-rekt till elektricitet. Tillsammans med C F Schoenbein och M Faraday ut-förde han en serie experiment med viss framgång. De första bränslecellerna bestod av kärl med utspädd svavelsyra, i vilka Groove sänkte ned platinae-lektroder.1Steget från dessa tidiga försök till dagens avancerade bränsleceller
är stort, men principen är densamma. En rad vetenskapsmän följde efter de följande årtiondena, men det dröjde fram till 1960, då NASA utnyttjade tek-niken för att lösa energiförsörjningen i sina rymdprojekt, innan bränsleceller ck någon uttrycklig användning.2 Det var då industrin ck upp ögonen för
tekniken och anade att det fanns en kommersiell potential. Pionjärerna stötte dock på problem med höga investeringskostnader, tekniska problem och ute-bliven ekonomisk lönsamhet. Bränslecellsprojekten stannade i de esta fall på planeringsstadiet - tekniken var inte mogen att konkurrera med be ntliga energilösningar.
I takt med att polymerindustrin utvecklats och därmed möjligheten till att tillverka både billigare och bättre membranmaterial ökat, har förutsättning-arna för bränslecellsindustrin sakta förändrats till det bättre. Kemiska jät-teföretag som DuPont, med produkter som membranmaterialet Na onTM,
har bidragit till att sänka kostnaderna för bränslecellens komponenter dra-matiskt. Tekniska landvinningar har gjort det möjligt att tillverka system som uppvisar avsevärt högre prestanda jämfört med tidigare lösningar. Idag
1G Hoogers, Fuel Cell Technology Handbook 2-3 2S Thomas, et.al, Fuel Cells - Green Power s5
nns en etablerad industri som arbetar med bränsleceller. Volymmarknader saknas fortfarande med det händer mycket och utvecklingen går verkligen framåt.
2.2 Bränslecellens funktion
2.2.1 Grundprincip
Själva grundidén med en bränslecell är att, från bränslet, direkt utvinna elektricitet utan mellansteg med turbiner eller generatorer. Cellen är alltså en elektrokemisk energiomvandlare. Bränsle tillsammans med syre från luften omvandlas till elektricitet och värme. För en vätgasdriven enhet (sk PEFC, se avsnitt 2.3) gäller följande:
Vätets kemiska energi = Elektrisk energi + Värme Figur 2.1 visar grundprincipen för en vätgasdriven bränslecell.
Figur 2.1: Bränslecellens grundprincip.
Vätgas H2 strömmar på ena sidan av ett membran. En katalysator, platina,
elektroner, 4e−. Reaktionen på primärsidan, anoden, beskrivs av ekvation
2.1:
2H2 = 4H++ 4e− (2.1)
Membranet är utformat så att det tillåter protonerna passera igenom. De fyra överblivna elektronerna, som inte passerar membranet, tar vägen ge-nom lasten (såsom elektrisk ström) till sekundärsidan, katoden. Där möts elektronerna, genomsläppta protoner och cirkulerande luft. Luften innehåller syreatomer och slutprodukten av reaktionen blir rent vatten. På katodsidan erhåller vi således följande reaktion (ekvation 2.2):
4H++ 4e−+ O2= 2H2O (2.2)
2.2.2 Uppbyggnad
Figur 2.2 visar bränslecellens uppbyggnad.
Figur 2.2: Bränslecellens interna uppbyggnad.
Varje enhet av denna typ bildar en cell med anod-membran-katod. Tjockle-ken på membranet är mellan 30 och 200µm. Utanpå anoden monteras ett gasdiusionslager, med tjockleken 100 − 300µm. Det består i regel av någon form av tunt poröst kol bermaterial. Förutom rent mekaniskt stöd skapar
porösiteten möjlighet för gaserna att sprida sig utmed membranet.3 Det är
viktigt att gasen sprids jämnt över hela ytan. Diusionslagret ska också se till att membranet hålls lagom fuktigt, då för lite eller för mycket vätska kan få bränslecellens funktion att fallera. Det bildas hela tiden vatten på katodsidan som måste ledas bort för att cellen inte ska drunkna i sin egen fuktighet.4
Nästa lager utgörs av en platta med kanaler. Den har två huvuduppgifter -att fördela gasen och luften över gasdiusionslagret samt -att vidardistribuera strömmen som bildas. Materialet kan vara metall eller gra t. För att erhålla användbara spänningar och eekter staplas lämpligt antal celler på varandra och bildar en så kallad stack.
2.2.3 Karaktäristik Spänning
Det teoretiska cellspänningen för en obelastad enhet (vid noll ström, 80◦C,
1 bar tryck) är ca 1, 16V .5 Spänningen sjunker med ökad belastning, till
en början relativt kraftigt men minskningen planar ut till ett i det närmaste linjärt förlopp. Arbetsspänningen per cell vid normal belastning brukar anges till ca 0.7V. Nära maxbelastningen sjunker åter spänningen dramatiskt och denna övre brytpunkt blir begränsande för eektuttaget. Sambandet mellan cellspänning och strömuttag ges av gur 2.3:
Verkningsgrad
Verkningsgraden i cellen varierar med uttagen eekt. Cellen har ett eekt-spann där den klarar att arbeta, från noll till maxeekt. Verkningsgraden är högre i den undre delen av arbetsområdet och sjunker med ökad eekt. Verkningsgraden i processen kan approximativt bestämmas enligt ekvation 2.3.
ηF C = 100(
Vout
Vth,max
) (2.3)
där ηF C är verkningsgrad i procent, Voutaktuell utspänning och Vth,maxden
teoretiskt maximala spänningen vid obelastad cell. Förlusteekten utvecklas 3EG and G Technical Services, Inc. 3-4
4Thomas et.al s.11 5Thomas et.al s.13
Figur 2.3: Samband mellan spänning, ström och eekt.
som värme. Bränslecellen har en arbetstemperatur på 50 − 100◦C och för
att hålla önskad temperatur förses systemet med en kylare. Drift i den läg-re delen av temperaturområdet medför en ökad livslängd, medan en högläg-re temperatur ger ökad maxeekt. I linje med de krav som ställs på systemet får en avvägning göras mot den ekonomiskt optimala lösningen.
Gasförbrukning
Ett annat mått på eektivitet är gasförbrukningen. En vanlig 50-liters AGA ståltub innehåller motsvarande 8, 8Nm3 vätgas (komprimerat vid 200 bars
tryck). Denna gasmängd omvandlas till ca 10,8kWh el i en 50W bränslecell.6
Det innebär att för varje Nm3 vätgas produceras ca 1, 23kW h elektricitet.
Livslängd
Utvecklingen av bränsleceller syftar till att förbättra i huvudsak två faktorer - eekt (per vikt och volym) och livslängd. Livslängden bestäms av kvaliteten i de ingående komponenterna, men även av vald drifttemperatur. Uttagen eekt i förhållande till maximal eekt påverkar också degraderingstakten. Är livslängden en kritisk parameter i det system vari bränsleceller ska verka kan en viss överdimensionering av cellen således bidra till längre drifttid. I dagsläget är livslängden i regel tillfredställande. Cellkraft har utfört lång-tidstester som pekar mot att drifttider över 20 000 timmar är högst troliga. I en applikation för fyrar, där systemet inte kontinuerligt arbetar vid full eekt, torde livslängden inte utgöra en kritisk begränsning. Exempel 1 visar beräknad livslängd för ett bränslecellssystem monterat i en fyr.
Exempel 1 :
En bränslecell laddar under vinterhalvåret ett mindre batteripack, som sommartid är understött av en solpanel. Bränslecellen ar-betar i genomsnitt 7h per dygn. Beräknad minsta livslängd för bränslecellen är 20.000h. Givet dessa förutsättningar beräknas sy-stemets driftlivslängd till:
20000
7 ∗ 183 ≈ 15years
2.3 Bränslecellstyper
Det nns era olika typer av bränsleceller. De klassi ceras vanligen efter vilken typ av elektrolyt de använder. Tillämpningarna varierar från energi-försörjning av portabla enheter till stora kraftverk avsedda att förse det fasta elnätet med ström. Nedan följer en kort orientering om de vanligaste typerna.7
• Proton Exchange Fuel Cell (PEFC)
PEFC är den typ av bränslecell som behandlas i denna rapport. Dess funktion har beskrivits närmare i avsnitt 2.2. Ren vätgas används som bränsle och elektrolyten består av ett protongenomsläppligt polymer-membran. Det vanligaste materialet på marknaden är av fabrikatet Na onTM. Cellen har låg arbetstemperatur, 50 − 100◦C. PEFC
läm-par sig för tillämpningar där en snabb start och omedelbar anpassning 7BTI (1)
till varierande eektuttag är viktiga parametrar - till exempel fordons-drift. Prestationsförmågan är hög i relation till storleken och tekniken är lätt skalbar efter eektbehov. Normalt eektområde är 50W- 5kW, men det nns även exempel på enheter med maxeekt upp till 250kW. • Phosforic Acid FC (PAFC)
Celltypen används i stationära kraftaggregat med eekter upp till ca 200kW. Arbetstemperaturen är 150−200◦C. Elektrolyten är, som
nam-net antyder, fosforsyra. Systemets bränsle är vätgas. Fördelen gentemot PEFC är främst att relativt oren gas kan användas. Cellen klarar en koloxidhalt på upp till ca 1% med bibehållen funktion.8 Nackdelen,
återigen jämfört med PEFC är högre arbetstemperatur och avsevärt högre storlek/vikt per producerad eektenhet. Tekniken anses emel-lertid vara den mest utvecklade och mogna av de olika alternativen. För närvarande nns ungefär 200 enheter installerade i t.ex. sjukhus, ygplatser, skolor och hotell runt om i världen.
• Molten Carbonate FC (MCFC)
Denna typ av bränslecell använder som elektrolyt en lösning inne-hållande natrium, litium och/eller kolföreningar med kalium. En stor fördel med denna teknik är den höga verkningsgraden, upp mot 85% om regenerering används. Arbetstemperaturen är hög - 650◦C.
Tillämp-ningsområdet är stora stationära kraftaggregat med eekter mellan ca 10kW och 2MW. MCFC-enheter kan köras med olika bränslen, som vätgas, koloxid, naturgas, propan, metan och t.o.m. marindiesel. Den höga temperaturen medför dock livslängdsproblem då ingående kom-ponenter utsätts för kraftig korrosion.
• Solide Oxide FC (SOFC)
Hög temperatur, upp till 1000◦C, och hög verkningsgrad kännetecknar
denna bränslecell som kan komma att användas i högeektstillämp-ningar och central elproduktion. Möjliga bränslen är liknande dem för MCFC, vilket medför stor exibilitet. Den största utmaningen är att hitta material som under lång tid klarar den höga temperaturen. • Alkaline FC (AFC)
AFC är den typ av cell som NASA länge använt i sina rymdtillämp-ningar för att producera ström och även dricksvatten till sina farkos-ter. Ren vätgas av hög kvalitet används som bränsle, då AFC-celler är känsliga för koloxidföroreningar. Verkningsgraden är ca 70% och arbetstemperaturen ligger i intervallet 60 − 200◦C. Som elektrolyt
an-vänds kaliumhydroxid. Den stora nackdelen har varit och är de höga kostnaderna vid tillverkningen.
• Direct Methanol FC (DMFC)
Denna bränslecell utgör en till synes mycket elegant lösning, eftersom bränslet är ytande - en blandning av metanol och vatten. Det gör att dagens infrastruktur, vid en bred etablering, är användbar med endast små modi eringar. Flytande bränsle är helt enkelt betydligt mer lätthanterligt än gas. Tekniken lämpar sig för små till medelsto-ra tillämpningar, till exempel strömförsörjning av portabla appamedelsto-rater. Betydande tekniska problem återstår dock att lösa. Främst handlar det om oönskad migration av metanol från anod till katod. Det konta-minerar katoden med metanol och försämrar funktionen. Livslängden hos dagens system är begränsad, men intensiv forskning pågår för att förbättra den. Till skillnad mot PEFC är metanolbränslecellerna fort-farande i ett relativt tidigt utvecklingsskede. Tekniken har utan tvivel stor potential, men det återstår mycket arbete innan prestationsförmå-ga och livslängd når en nivå som är jämförbar med vätprestationsförmå-gassystemens.9
2.3.1 Användning i fyrar
För fyrtillämpningar är två av teknikerna intressanta, nämligen PEFC (Po-lymer Exchange Fuel Cell), och DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Då DMFC fortfarande lider av stora tekniska problem är för närvarande den en-da realistiska lösningen PEFC, vätgasdriven polymermembran-bränslecell. Metanolbränsleceller behandlas därför inte i denna rapport.
2.4 Vätgas
Bränslecellstekniken är utan tvivel ett av de hetaste framtida alternativen för att lösa energiproblemet. Tekniken i sig ger en renare energi än många andra lösningar. Själva driften av bränslecellen ger således inget förorenande bidrag till omgivningen - det står framställningen och hanteringen av vät-gasen för. Väte nns i enorma mängder på vår jord. Den absolut största vätereserven nns samlad i jordens vattenmassor. Då väte i ren form är väl-digt reaktivt förekommer ämnet bundet i föreningar. Väte är alltså inte en primär energikälla - ren vätgas måste skapas och under den processen åtgår energi. Vätgasen blir ett energilager där större delen av den vid gasframställ-ningen använda energin lagras. Där har bränslecellerna en stor likhet med ackumulatorer - kemisk lagring av energi. System som drivs av ackumula-torer behöver dock laddas (eller bytas ut) när energin är förbrukad. Detta tar tid. Ett vätgassystem förses istället med ny gas och kan direkt fortsätta
driften.
Framställningen av rent väte sker huvudsakligen via två metoder, elektrolys av vatten eller reformation av fossila bränslen. Att använda fossila bränslen är naturligtvis inte önskvärt, men är idag den billigaste metoden, främst på grund av hög verkningsgrad. Vid användning av naturgas kan en verk-ningsgrad mellan 70 och 80 procent nås. Elektrolys av vatten är en attraktiv teknik, men processen kräver mycket energi och verkningsgraden blir inte lika hög som när reformerad naturgas används. Fördelen är, vid användning av el framställd av annat än fossila bränslen, att utsläppen av växthusgaser och andra föroreningar blir minimala. Används el som producerats med olja och kol uteblir miljövinsterna. Poängteras i sammanhanget bör att inget vatten förbrukas i nettoprocessen. Lika mycket vatten som åtgår vid bildandet av vätgasen skapas som restprodukt i bränslecellen.10
Att lösa transport och lagring av väte är en av bränslecellsteknikens största utmaningar. Det är ett faktum att dagens infrastruktur inte är förberedd för vätetransport. Riktigt gångbara lösningar saknas även om det även där hela tiden sker utveckling. Idag fraktas vätgas i huvudsak i ståltuber, en teknik som är över 100 år gammal. Mer om vätgaslagring i kapitel 4.
2.5 Dagens PEFC-system
PEFC-systemen har, i förhållande till vissa andra bränslecellstekniker kom-mit relativt långt i sin utveckling. De kan idag erbjuda en stabil och säker energiförsörjning med livslängder som är jämförbar med eller överträar till exempel förbränningsmotorer. Mycket forskning bedrivs för att ta fram nya och än bättre lösningar, men redan nu nns en väl fungerande grund att utgå från. En av de största fördelarna är systemens skalbarhet till aktuellt behov. Systemet är relativt kompakt jämfört med motsvarande batterilösning och marginalkostnaden för att utöka energikapaciteten är betydligt lägre. I bat-terifallet måste batterilagret utökas, dvs ett inköp av er batterier. I fallet bränslecell krävs endast en utökning av gaslagret. Marginalkostnaden be-stäms av vilken typ av vätelagring som används. Ståltuber är billigast, medan lagring i till exempel metallhydrid bara är marginellt billigare än batterier. Läs mer i avsnitt 7.1.3. Även maximal eekt är lätt anpassningsbar vid mon-teringen av cellen och vald kapacitet påverkar i ganska ringa grad enhetens storlek.
2.5.1 Uppbyggnad
Det nns ett ertal tillverkare av bränslecellssystem. Detaljlösningar och pa-rameteroptimering varierar, men grundprincipen är i regel densamma. Figur 2.4 visar uppbyggnaden av ett modernt system:
Figur 2.4: Ett bränslecellssystems delar.
Ett vätgaslager (1) förser systemet med vätgas. Trycket från gas askan är upp till 200 bar (vid full aska). Inloppsventilen (2) reducerar trycket till den driftnivå som används internt, vanligen ca 4 bar. Gasen leds sedan, eventuellt via en fuktare (3), in i stacken (4) och delas upp i en mängd kanaler innan den sprids över gasdiusionsskiktet och slutligen når cellens verksamma delar. I princip nns det bara en väg för vätet - att delas upp och gå igenom cellen. En utloppsventil (5) ventilerar dock vätgassidan och släpper med ett intervall ut små mängder vätgas. Det sker för att ventilera bort gas som blandats med kväve som vandrat genom det genomsläppliga membranet. Åtgärden är nödvändig för att hindra att kväve ackumuleras på anodsidan.
Luften sugs via ett partikel lter (7) in av en äkt (6) till en luftfuktare (8). Fuktaren behövs för att hålla stackens interna fukt på en stabil nivå. Vid för torr luft torkar membranet gradvis ut och tappar sin ledande förmåga. Alltför fuktig luft gör å andra sidan att gasen hindras från att nå fram. Fuktaren
behövs för att upprätthålla balansen. Den preparerade luften förs in i stacken och reagerar med vätejonerna. Fuktig avgasluft förs tillbaka till fuktaren och delar av dess vatteninnehåll tas tillvara för användning vid fuktning av ny luft. Slutligen leds luften ut genom ett utlopp (9).
Stacken kyls i regel med cirkulerande kylvätska som drivs runt av en pump (10). Värmen som bildas av förlusteekten leds ut till omgivningen via en radiator (11). I system där livslängden inte innebär en kritisk begränsning kan enkel luftkylning användas, men vanligen utrustas enheten med eek-tiv vätskekylning. Temperaturregleringen av stacken är en central del av livslängdsoptimeringen.
Ett styrsystem (12) övervakar de ingående processerna. Under driften ombe-sörjer också kretsen bränslecellens underhåll, vilket till exempel kan utgöras av regelbunden utrensning av ackumulerat vatten i stacken.
2.5.2 Egenskaper
Ett PEFC-system har många av de egenskaper som är värdefulla i en ma-rin tillämpning. Enheten tål förändma-ringar av yttre betingelser och klarar att leverera ström under mycket skiftande förutsättningar. Drift är möjlig i tem-peraturspannet −30◦C till +45◦C. Då bränslecellen i sig kräver fuktig luft
för att fungera väl innebär hög luftfuktighet inte något problem - så länge det har tagits med i övervägande vid inställning och utformande av styrsystemet. Normal arbetstemperatur i en modern PEFC avsedd för långtidsanvändning är ca 60◦C. Exakta värden på vissa driftsparametrar presenteras ej i denna
rapport, eftersom företagen anser dessa vara interna uppgifter. Storlek och vikt
Som nämnts tidigare är en bränslecellslösning lätt skalbar efter eektbehov. Kringelektroniken kan hållas oförändrad även om stacken byggs ut till högre eekt. Tabell 2.1 visar storlek och vikt för ett antal olika bränslecellssystem från olika tillverkare. Måtten avser bränslecellen med kringkomponenter -energilagret ingår inte i dessa uppgifter då det anpassas efter behov. För storleks- och viktangivelser rörande vätgaslagringsalternativ, se kapitel 4. När det gäller totalvikt och delvikter för fyrsystem, se kapitel 6.
Prestationsförmåga
Modell Eekt (W) Dim (mm) Vikt (kg) Kommentar Cellkraft S-250 250 250x400x520 15 Komplett
sy-stem Hydrogenics
HyPORT E 500 533x330x406 25 Komplett sy-stem Cellkraft
S-1000 1000 250x400x600 18 stemKomplett sy-Quintech
BZ130 1000 580x140x140 16.3 Endast stack NEDO PEFC
Stack 5000W 240x370x120 19 Endast stack Tabell 2.1: Storlek och vikt för olika bränslecellssystem.
• Verkningsgrad
45% vid nominell eekt (i detta fall 250W), 52% vid 20% last (här 50W). Verkningsgraden medför en gasförbrukning motsvarande ca 0.88m3 vätgas (vid atmosfärstryck) per kWh.
• Uppstarttid
Bränslecellen klarar att leverera ström efter ca 1s. Är detta en kritisk parameter används ett buertbatteri som driver lasten under den första sekunden.
• Dynamik
S-serien klarar att följa förändringar i eektuttag, 20-100% last, inom mindre än 0,1s.
• Livslängd
Det nns inga tester som visar maximal livslängd. Längsta försöket är pågående. Där har en bränslecell nu körts på maxeekt i ca 12000h utan problem. En uppskattning säger att cellen klarar över 20000 timmar, men statistik som tydligt visar detta existerar ej. Det pågående försöket visar en ringa degradering. Livslängden kan begränsas av punktering av membran eller gradvis minskad eekt.
Fyrteknik
Detta kapitel ska fungera som en kort orientering för läsare som ej är in-satta i fyrteknik. Syftet är inte att gå in djupt på teknikdetaljer utan att skapa en överblick för att läsaren med god behållning ska kunna ta del av rapportens resterande delar. Uppgifterna i kapitlet kommer i huvudsak från tre källor; Farledsregistret, Svensk Fyrlista år 2000 och skriften Fyrar, bojar och prickar. Den senare är skriven av Christian Lagerwall, Sjöfartsverket.
3.1 Sveriges sjömärken
I begreppet sjömärken innefattas alla fasta och ytande navigationshjälp-medel till sjöss. Det vill säga allt från stora kustfyrar till målade linjer på klippor. De esta sjömärken är passiva, dvs de förbrukar ingen eekt och behöver därmed inget system för energiförsörjning. Det gäller exempelvis sjömärken av typen prick, kummel, enslinje, tavla och båk. För underlätta vid mörkernavigering har vissa objekt försetts med aktivt ljus. Det nns i huvudsak tre typer av objekt som innehåller lampor: Fyrar, lysbojar och lysprickar. Sveriges sjömärken nns registrerade i FAREG, farledsregistret. 3.1.1 Fyrar
Med fyr avses vanligen ett lysande sjömärke som står på fast grund, dvs mark eller botten. I Sverige nns ca 1300 fyrar. Fyrens huvuddelar består av en fyrbyggnad för att skapa en lyshöjd, och en lanternin, dvs fyrlampa med linser. Ljuset kan vara runtlysande eller indelat i olikfärgade sektorer (röda, gröna och vita). Fyrens ljus har en karaktär som följer
nell standard. Fyrkaraktären bestämmer hur stor del av fyringstiden fyren är tänd respektive släckt. Normalt sett är fyren aktiv under den mörka ti-den av dygnet och släckt under dagen. Växlingen sker automatiskt med ett skymningsrelä. En del fyrar idkar tidvis även dagerfyring, främst under vin-tern. I perioder med fast havsis släckts fyrar ibland ned på grund av att ingen sjöfart förekommer, något som av naturliga skäl främst gäller de norra farvattnen.
Fyrljuset har också en nominell lysvidd. Det motsvarar det största avstånd från fyren på vilket lampans sken kan iakttas vid en siktbarhet som är likvär-dig med en dagsljussikt av 10M.1 Lysvidden är ofta en begränsande faktor
när en fyr ska eektbantas. Stora kustfyrar har i regel en lysvidd mellan 20 och 28M, vilket kräver lampor med hög eekt.2
Alla fyrar har en primär energikälla. Den kan vara av olika typer, se separat avsnitt (3.2). De vanligaste är nätanslutning via kabel eller kraftförsörjning via solpanel och batteri. Utöver den primära kraften är många fyrar dessutom utrustade med ett sekundärt energisystem. Det ska träda in som reservkraft när och om huvudförsörjningen fallerar. Exempel på sekundära kraftkällor är dieselgenerator och batteri. Har fyren er nautiska funktioner än själva fyr-ningen, eftersträvas en separation i energikällor enligt principen en nautisk funktion - en primär energikälla. Avsikten är att öka tillförlitligheten. Exem-pel på ytterligare funktion kan vara en racon, det vill säga en radarsändare för objektidenti kation.
Fyrljuset styrs av en s.k. klippapparat. Historiskt sett har klippapparaterna varit komplicerade mekaniska underverk som med sinnrik konstruktion styrt fyrljuset. Moderna enheter är små integrerade kretsar som klarar att hantera solpaneler, batteriladdning och fyrstyrning. Beroende på vilken energikälla som driver fyren är den utrustad med en eller två klippapparater. Fyrlam-porna har oftast mer än en glödtråd, s.k. bi lamentlampor, för att minska lampbytesintervallen. Ett års serviceintervall eftersträvas.
Fyren är den enda typ av sjömärke som är tänkbart att driva med ett bräns-lecellssystem. Utrymmet inuti fyrbyggnaden är i regel tillräckligt stort för att inhysa hela systemet, inklusive vätgaslager. Fyrens eekt varierar från väldigt låg (enstaka watt) till hög (5-10kW).
1M = 1 nautisk mil = 1852m
3.1.2 Lysbojar
En lysboj är ett ytande lampförsett objekt med förankring. Merparten av bojarna är av de två standardiserade typerna S7 resp S10, där 7 och 10 står för bojens totala höjd i meter. Materialet är i huvudsak stål. Energikällan är i samtliga bojar ett engångsbatteri. Bojarna har endast en klippapparat. Utbyte av batteri sker normalt i samband med tillsyn ombord på servicefar-tyg, men kan ske på plats från toppen av bojen. Normalt nns det plats för 1-4 batterier med en kapacitet på vardera ca 630Ah. Bojen saknar sekundär energikälla. Lampan är av bi lamenttyp och den byter automatiskt glödtråd vid fel. Bojarna är utrustade med radarre ektor.
Lysbojen lämpar sig inte för bränslecellsdrift på grund av det mycket be-gränsade utrymmet i bojen. Förbrukad eekt är dessutom låg.
3.1.3 Lysprickar
En lysprick är en mindre variant av lysbojen. Elsystemet är uppbyggt på samma sätt, med undantag av att det bara nns plats för ett batteri. Ma-terialet i lysprickarna är uteslutande plast. Två storlekar används, 6 eller 7 meter.
Lysprickarna är för små för att bli aktuella för bränslecellsdrift.
3.2 Energiförsörjning
Sveriges fyrar drivs på en ertal olika sätt. Energiförsörjningen delas upp i två huvudkategorier, primär och sekundär energi.
3.2.1 Primära energikällor Engångsbatteri
Energin kommer i detta fall från ett batteri som ej är laddningsbart. Normalt placeras i fyren ett batteripack som räcker för två till tre års drift. Merparten av objekt som drivs av engångsbatterier har endast en klippapparat. Energi-försörjning av denna typ används främst i bojar och prickar. Bland fyrar är engångsbatterier relativt ovanliga. Ca 20st är i drift, vilka i huvudsak utgörs av led- och ensfyrar inomskärs.
Solcell och batteri
I princip alla nya fristående energisystem som byggs använder denna tek-nik. En solpanel omvandlar solenergi till elektricitet som sedan lagras i ett laddbart batteri. Batteriet är vanligen av NiCd-typ. Sekundär energikälla saknas helt. Merparten av fyrarna har dubbla klippapparater med manu-ellt skifte. Systemets fördelar är underhållsfriheten och de relativt billiga ingående komponenterna. Tillförlitligheten är hög, mycket på grund av att systemet saknar rörliga delar. Bi lamentlampor används för att förlänga ser-viceintervallen. Batterikapaciteten måste vara tillräckligt hög för att klara energiförsörjningen under vintern, då solinstrålningen är mycket begränsad. Idag är ca 450 solcellsdrivna fyrar i drift.
Vindgenerator och batteri
Detta system liknar solcellslösningen med undantaget att energin insamlas med hjälp av en vindgenerator. Själva vindrotorn och därtill kopplad väx-ellåda och generator är de enda rörliga delarna. Inga nya system har byggts under senare år. För närvarande nns ungefär 10 system i drift.
Land- eller sjökabel
Till fyrar med denna energikälla används det allmänna elnätet för driften. Tillgången på energi är stor, den begränsas bara av elkostnaden, och därför tillåts fyrarna dra stora eekter. Det ger möjlighet till ljusstarka fyrar med ytterligare funktioner som fasadbelysning och lanterninvärme. Lampor med endast en glödtråd används i vissa fall, då i kombination med en mekanisk lampväxlare, ibland även med dubbla linssystem. Det nns runt 500 kabe-lanslutna fyrar i svenska farvatten. Av dessa är ungefär 430st utrustade med ett sekundärenergisystem.
3.2.2 Sekundära energikällor Batteri
Laddbara batterier används främst som reservkraft i kabelanslutna fyrar. Batteritypen är vanligen NiCd och laddningselektronik bibehåller batterista-tusen för att vid strömavbrott gå in och förse fyren med energi. Då kabelan-slutna fyrar i regel förbrukar stora eekter bantas funktionerna automatiskt när batteriet kopplas in. Fasadbelysning och värme stängs av och vanligen
sker även ett lampbyte med minskad lysvidd som följd. Batterikapaciteten dimensioneras för 2-3 månaders drift. Det förekommer också att engångs-batterier används, men det är ovanligt. Laddbara engångs-batterier som reservkraft förekommer i ca 400 fyrar.
Dieselelverk
I stora kustfyrar med helikopterplatta används i vissa fall dieseldrivna elverk som reservkraft. De stadiga pelarna som tar upp krafterna från en landande helikopter skymmer stora delar av de vinklar som fyrljus ska spridas i. Av den anledningen krävs det ramper med ett ertal lampor mellan varje pe-lare. Antalet lampor kan uppgå till över 100. Den totala eekten blir hög, i storleksordningen 5-10kW. Det nns ej heller något utrymme för ett re-servlampsystem. Stora dieselaggregat blir då den enda fungerande lösningen för att bibehålla fyrens funktion vid strömavbrott. En process för att byta ut dieslarna pågår, men det kräver i de esta fall en ombyggnad av fyren. Dieselreservaggregat nns i ett tiotal fyrar.
Vätgashantering och lagring
Ren isolerad vätgas är i många avseenden ett väldigt tilltalande bränsle -högt energiinnehåll och inga giftiga avgaser. Dessutom är produktionsmöj-ligheterna i princip obegränsade eftersom enorma mängder väte nns lagrade i jordens vattenmassor. Faktum är att väte har den högsta energikapaciteten per viktenhet av alla kända bränslen. Se tabell 4.1. Sirorna gäller ren vätgas utan hänsyn till vikten lagringsmediet upptar. Med total vikt inklusive lag-ring är energiinnehållet per kg betydligt lägre. Det framhålls ofta att vätgas är framtidens bränsle. Väteekonomin sägs vara den som tar efter dagens oljebaserade samhälle. Vägen dit är dock lång och krokig.
Bränsle kWh/kg Bensin 13,0 Metanol 5,6 Etanol 7,5 Naturgas 13,9 Vätgas 33,3
Tabell 4.1: Energiinnehåll per kg för olika bränslen. (Teoretiskt maximal ener-giutvinning vid 100% verkningsgrad.)
Det nns det ingen etablerad infrastruktur som kan hantera gasen, och fram-förallt är vätgas ingen primär energikälla. Det innebär att två stora huvud-problem måste lösas; vätgashantering/lagring och tillverkning. På många sätt är dessa problem direkt överförbara till fyrtillämpningar. Även inom detta område innebär lösningen för hur vätgasen ska hanteras ett absolut huvudproblem. Oavsett om industriellt tillverkad eller genom elektrolys lo-kalt framställd vätgas används behövs ett eektivt lagringssätt. Detta kapitel redogör för de olika alternativen och presenterar slutsatser rörande vilket
ler vilka alternativ som är lämpligast vid användning i fyrar.
4.1 Lagringsteknik
Vätgas kan lagras på många olika sätt. Utmaningen ligger i att hitta en metod som är praktisk, säker och inte minst ekonomisk. Huvudalternativen är kemisk lagring, traditionella tryckcylindrar, metallhydrider eller ytande väte (nedkyld gas). Eftersom lagringen är ett centralt problem när det gäller införandet av vätgasdrivna produkter bedrivs mycket forskning på området. Det har lett till att en rad nya avancerade lösningar presenterats. Exempel på sådana är kol-nano ber, nanorör och mikrosfärer av glas. Teknikerna har teoretiskt höga kapaciteter, men be nner sig i forskningsstadiet och är inte i närheten av färdiga kommersiella produkter. Däremot är det intressant in-för framtiden att följa utvecklingen av dessa nya möjligheter. När det gäller ytande väte, dvs väte som kylts ner under vätets kokpunkt, −252.76◦C,
medför nedkylningen mycket opraktiska krav längs logistikkedjan. Dessutom krävs det, för att bibehålla den låga temperaturen, att lite väte hela tiden släpps ut. Processen kallas boil-o. Ett typiskt värde för kyltankar installera-de i till exempel bilar är 1% väteförlust per dygn.1 Följden blir att ytande
väte inte är ett alternativ för långsiktig lagring. Viktandelen väte i en typisk tank är dock ca 15%, vilket är en hög sira jämfört med andra lagringsal-ternativ. I vissa tillämpningar är ytande väte ett bra alternativ, men inte i de som denna rapport avser. För utveckling av ett system idag är det så-ledes traditionella tekniker som är de enda möjliga och det innebär att tre alternativ återstår; kemisk lagring, trycktuber och metallhydrider.
4.1.1 Kemisk lagring Funktion
Kemisk lagring av vätgas innebär att vätet nns bundet i föreningar och att det sedan, genom styrda reaktioner frigör det. Ämnena kallas generellt för kemiska hydrider. Ett exempel är litiumhydrid som med hjälp av vatten transformeras till litiumhydroxid och vätgas enligt följande (ekvation 4.1):
LiH + H2O → LiOH + H2 (4.1)
Denna hydrid har en hög lagringskapacitet - upp till 15.3 viktprocent väte 1Hoogers 5-4
kan nås2 (att jämföras med ca 1.1% för vanliga ståltuber3).
Tillämpbarhet
Nackdelen med tekniken är att det i regel är mycket kostsamt och kompli-cerat att tillverka en eektiv och hållbar enhet som reformerar bränslet. En del av hydridteknikerna kräver höga temperaturer för att hålla igång reak-tionen vilket ytterligare tillför komplexitet till systemet. Det nns ej heller någon etablerad standard för vätebärarens kemiska sammansättning, vilket till exempel medför att det saknas inköpsställen för bränsleblandningen. För fem år sedan fanns många försöksverksamheter och prototyper som använde kemisk lagring av väte. Tekniska svårigheter och ekonomiska överväganden har på senare år lett utvecklingen från det spåret och istället mot direkt lagring.4 Kemiska hydrider kan vara ett alternativ för stationärt bruk där
ef-fektuttaget är förutsägbart och möjligt att övervaka, men lämpar sig mindre bra för ett litet, fristående och autonomt system i stil med en fyr.
4.1.2 Tryckkärl Funktion
Lagring i tryckkärl innebär traditionellt sett ståltuber med tryck upp till 200 bar. Fördelen med de gamla stål askorna är att det är en relativt billig metod för förse ett system med vätgas. Aktuellt pris, utan särskilda rabatter, från AGA Gas AB är 44kr/Nm3. Som nämnts tidigare är förhållandet mellan
maximal vikt av lagrat väte och tubens vikt ca 0,011, dvs 1,1% av den fulla tubens massa är vätgas. Siran gäller vid 200 bar.
Det nns modernare lösningar i form av kärl tillverkade i lättare material, främst kol ber och aluminium. Sådana kärl kan lagra mer väte per kilogram. Används 300 bars tryck nås med be ntliga komposittuber en viktandel väte på ca 3%.5 Tekniken i sig har visat sig klara tryck upp till 700 bar, med
tuber avsedda för naturgas. Det är det franska företaget Ullit S.A. som med sina högtryckskomposittuber lyckats nå en viktandel väte på hela 18,5%6.
Det nns emellertid lagar och stadgar som kan komma att, av säkerhetsskäl, begränsa högsta tillåtna tryck i kärl. Typiska maxvärden är 3600 psi (248 bar)
2Hottinen, s.40 3Hottinen, s.25 4Cellkraft AB 5Hoogers 5-2 6Moser et.al
och 300 bar.7I Sverige nns ingen generell begränsning, utan maximalt tryck
bestäms av typgodkännande av varje enskilt kärl. Kompositkärl används till exempel i Stockholms bränslecellsbussar. De aktuella kärlen klarar tryck upp till 400 bar.8
Tillämpbarhet
Lagring i ståltuber är en säker och etablerad lösning, men tekniken är gam-mal och stål är förhållandevis tungt. En norgam-mal 50-liters AGA- aska enligt industristandard väger ca 70 kg. Rent tekniskt nns det egentligen ingen anledning att använda de gamla tuberna, men de är billiga och väl spridda. När det gäller användning i fyrar nns det två fall, med vardera två givna förutsättningar, där ståltuben kan bli aktuell:
1. (a) Lokal elektrolys används inte, varför gastransport ut till fyren är nödvändig.
(b) Ingen komposittub har blivit godkänd och kan därför inte använ-das, alternativt är godkänd men anses för dyr.
2. (a) Lokal elektrolys används.
(b) Genom membranteknik eller på annat sätt kan runt 100 bar eller mer uppnås utan nyttjande av extern kompressor.
Finns det vid tillfället för införande en godkänd kompositkärlslösning till ett rimligt pris är det alternativet överlägset ståltuben. Då bör dessa utnyttjas, eftersom de klarar högre tryck, är lättare, och kan tillverkas i mer praktiska dimensioner. Undantaget är fall 2 ovan, där den stationära placeringen i kombination med elektrolysörens förhållandevis måttliga tryck9, gör vikt och
tryckkapacitet underordnade ekonomiska överväganden. 4.1.3 Metallhydrider
Funktion
Principen för vätgaslagring i metall är att väteatomer under lågt tryck kan nå håligheter inne i metallens mikrostruktur, så att så kallade metallhydrider
7Hoogers 5-3
8www.miljobilar.stockholm.se (1)
9`måttligt` i det här sammanhanget i jämförelse med > 200 bar i tryckkärl, inte tryck
bildas. Reaktionen, som är reversibel, kan enkelt beskrivas enligt ekvation 4.2.
H2+ M ↔ M H2 (4.2)
där M representerar metallegeringen.
För att få reaktionen att gå till från vänster till höger, dvs bilda metall-hydrid, krävs nedkylning eller höjning av tryck. Omvänt gäller för frigörelse av vätet, dvs reaktionen från höger till vänster, en temperaturhöjning eller trycksänkning. Vid normal användning används trycksambandet och då till-förs således väte under tryck respektive tas ut under lågt tryck. Vid tilltill-försel blir materialet varmare och vid utförsel blir det kallare. Metallhydriden har därmed en självtätande funktion. Vid hastigt stort läckage sjunker tempe-raturen så mycket att frigörelsen av vätet snabbt upphör. Väte kan endast föras ut i en jämn takt. Det är ur säkerhetssynpunkt väldigt fördelaktigt. Det låga arbetstrycket för metallhydridbehållare är en annan säkerhetsmäs-sig fördel jämtemot tryckkärl. Trycknivån i en full metallhydrid-behållare är avsevärt lägre än i en 200 bars stål aska. Normalt tryck är så lågt som ca 2-4 bar.
Egenskaper
Den mängd vätgas som kan lagras i metallen är beroende av vilken lege-ring som används. För att få önskade egenskaper kombineras metaller med hög vätebindningsbenägenhet, kallad metall A, och sådana med lägre, kallad metall B. Beroende på hur stora andelar av A respektive B som ingår i legeringen delas blandningarna upp i familjer. De vanligaste är AB5 och
AB2, men även AB, A2B och andra varianter förekommer.10 Även på detta
område bedrivs mycket forskning. Lagringskapaciteten varierar från ca 0,6 -1,8 viktprocent i kommersiella tillämpningar för rumstemperatur upp till ca 8 viktprocent för laboratorieprototyper vid temperaturer upp emot 300◦C.11.
Ett exempel är ECD Inc:s metallhydrid OTP-1, för montering på skoter, som med en vikt på 35kg lagrar 0.3kg väte. Det motsvarar 0.85 viktprocent lagringskapacitet.12
Det kan alltså noteras att metallhydrider, i jämförelse med ståltuber, i stor-leksordningen har samma vätelagringskapacitet per viktenhet. Per volym är saken dock annorlunda. 70kg metallhydrid utgör en avsevärt mindre volym än en 70kg:s 50-liters gastub.
10Hottinen s.38 11B. Dogan 12K. Sapru et.al.
AB5 kännetecknas av förhållandevis låg känslighet för orenheter i vätgasen,
företrädesvis små mängder av O2 och H2O, men å andra sidan en i
sam-manhanget relativt låg vätekapacitet. Robustheten mot viss inblandning av vatten och syre i gasen är mycket fördelaktig vid användning av elektrolys, då det gör att en speciell torkprocess av gasen kan undvikas. Kan detta steg uteslutas i systemkonstruktionen erhålls ett enklare och driftsäkrare system, som kräver mindre underhåll. Det i synnerhet om, i linje med Miland m. .13,
ett passivt lter används för torkning.
Det viktigaste exemplet på legering inom AB5-familjen är LaNi5.14 Den
reversibla vätekapaciteten är 1,28 viktprocent%. För att optimera grund-legeringens egenskaper, som korrosionshastighet och cykellivslängd, ersätts delvis metall A och B med andra metaller. Metallhydriden omsluts sedan av en stålbehållare. En typisk kommersiell AB5-legering är LaNi-varianten
La0.64N d0.36N i0.95Cr0.19M n0.41Co0.15 från GfE Metallen und Materialen
GmBH. Produktnamnet är Hydralloy F. Livslängd
Livslängden för metallhydrider räknas normalt i antalet fulla i- och ur-laddningscykler metallen klarar av. Små, icke fullständiga, variationer i lad-dningsstatus påverkar i ringa grad degraderingen av metallen. Moderna me-tallhydrider klarar uppåt 1000 cykler. Som exempel kan nämnas GKSS15och
GfE:s gemensamma projekt, Na2LiAlH6, som uppges ha 95% kapacitet efter
1000 cykler.16 Uppgiften gäller industriellt tillverkad gas. Används gas från
småskalig elektrolys kan siran bli lägre, främst på grund av den fuktighet som följer med den tillverkade gasen.
Tillämpbarhet
Metallhydrider kan mycket väl komma att bli aktuellt som lagringslösning i en fyrtillämpning. Det gäller om en lågtryckselektrolysör används. Då metall-hydrider kan laddas under i sammanhanget låga tryck uteblir behovet av en kompressor. Det gör att antalet rörliga delar hålls nere, systemet blir mind-re komplext och att tillförlitligheten ökar. Dessutom är lagringssättet, som nämts tidigare, mer volymeektivt än tryckkärl. Vid stationär användning är i regel volym viktigare än massa. Metallhydrid används i exempelsystemet som utformas i kapitel 6.
13Miland et.al. s.7
14För metallers fullständiga namn se bilaga A.
15GKSS Forschungszentrum GmbH, Hamburg/Berlin, Tyskland 16B. Dogan
4.2 Logistik
4.2.1 Transport av tryckkärl
Att använda industriellt tillverkad vätgas i en fyr innebär med naturlighet att den måste fraktas till fyren på något sätt. Med Sjöfartsverkets historia, vilken innehåller gastransporter, i åtanke inses lätt att den här formen av energiför yttning inte är önskvärd. Be ntliga fristående system får en gigan-tisk fördel och ett tungt argument gentemot alla nya alternativ där fraktande ingår i konceptet. Gastransporter måste med andra ord så långt som möjligt undvikas om bränsleceller ska stå inför en etablering i Sjöfartsverkets system. Möjligen kan gastransporter vara motiverade om bränslecellstekniken an-vänds som reservkraft. Den ringa grad som reservkraften anan-vänds gör att gasförbrukningen sett över tiden torde bli blygsam. Med säkerhet kan dock inte detta fastslås på grund av att reservdrifttiden varierar från objekt till objekt och från år till år. Utöver drifttider för dieselreservaggregat nns ing-en tillgänglig statistik. Installerat gaslager kan alltså, med viss rimlighet, antas räcka lång tid, vilket gör att en elektrolyslösning blir omotiverad. I sådana fall är den mest ekonomiska och praktiska lösningen gastransporter med långt intervall till fyren. Lämpligen används då lättviktstuber för att förenkla hanteringen.
4.2.2 Tankning
Ett alternativ till att frakta och bära själva gasbehållaren ut till fyrarna är att utnyttja möjligheten till vätgastankning. Grundprincipen för detta är enkel, vätgas förs med högt tryck från ett kärl till ett annat. Bränslecellsbussarna som är i drift i Stockholm fyller sina tryckbehållare på detta sätt. De får sin vätgas från en elektrolysanläggning på Södermalm. Tankningen tar ca 15 minuter och fyller bussens trycklager med 44kg ren vätgas. Trycket är 400 bar.17
Överfört till fyrteknik skulle en liknande lösning innebära att fyren har ett stationärt, relativt stort, gaslager. Lagret får anpassas efter eektbehov och önskat besöksintervall. Se exempel 2. Via ett fartyg fylls sedan lagret, lämp-ligen en gång årlämp-ligen.
Exempel 2 :
En fyr med medeleektförbrukning uppgående till Pavg, drivs
del-vis med en bränslecell som i A dygn under vinterhalvåret hjälper till underhålla batteristacken. Behovet är störst, motsvarande he-la eekten, vid midvintern och antas noll under sommarhalvåret. Sambandet mellan eekt vid tidpunkt för första insatsen och ef-fekt vid midvinter antas linjärt. Antalet fyringstimmar per dygn antas i medeltal vara T h.
Totalt förbrukad energi [kWh] är då: Etot =
Pavg∗ A ∗ T
2
Med Pavg = 50W, A = 180 dygn och T = 16h erhålls Etot =
72kW h. Används 200 bars tryck motsvarar, som angivits i av-snitt 2.2.3, 1 liter komprimerad gas ca 0.18kWh. Lämplig dimen-sionering av gaslager, för att klara ett års tankningsintervall, är således i det här fallet minst 72/0.18 = 400 liter, det vill säga motsvarande 8 st 50l- askor av standardtyp.
Tankningen kan ske med en tunn slang som för över gasen från en container som placerats på servicefartyget inför tankningsturen. Slangen är exibel och torde inte innebära några större hinder för den person som är tilldelad uppgiften att utföra påfyllnaden. Fortfarande för yttas emellertid energi med mänsklig arbetsinsats ut till fyren vilket är långt ifrån optimalt. Skulle idén rent hypotetiskt appliceras på många fyrar blir tankningsarbetet omfattande.
4.3 Lokal elektrolys
4.3.1 Allmänt
Lokalt producerad vätgas som genereras via elektrolys på plats ute i eller vid fyren är en mycket tilltalande lösning, och kanske i slutändan den enda attraktiva och gångbara. Tekniskt sett är det inga problem att bygga ett fungerande system, men det kan innebära en oönskad komplexitet i energi-försörjningen. Ekonomiska begränsningar kan också göra att lösningen inte är realiserbar. Ekonomi och kostnader redovisas i kapitel 7.
Grundprincipen är mycket enkel. Elektrisk ström används för att sönderdela vatten i dess beståndsdelar syre och väte. Vid storskalig sk alkalisk elektrolys, tillsätts kaliumhydroxid för att vattnet ska bli elektriskt ledande.18 Används
polymermembranteknik krävs inte alkalisk elektrolyt, då räcker det med rent 18H
avjoniserat eller destillerat sötvatten. Ekvation 4.3 visar den mycket enkla kemiska principen för elektrolys.
2H2O → 2H2+ O2 (4.3)
Lokal vätgasproduktion innebär att behovet av gastransporter uteblir. Det nns elektrolysörer som via avancerad membranteknik kan producera vätgas med 100 bars tryck, men det vanligaste och mest ekonomiska alternativet blir att använda elektrolysörer som klarar runt 15 bar. Ett exempel på en sådan är Hogen GC från Proton Energy Systems.19 Producerad vätgas kan lagras
i metallhydrid vilket gör att trycket ut ur elektrolysören är tillräckligt för fyllnad av gaslagret. Den producerade gasen innehåller en viss mängd vatten, om än liten, vilket gör att metallhydriden bör vara av en typ som uppvisar robusthet mot detta. I enlighet med avsnitt 4.1.3 är LiNi5-familjen mycket
lämpad för ändamålet. Orenheterna i vätgas producerad med en modern elektrolysör utgör mycket små mängder. Ovan nämnda Hogen GC tillverkar exempelvis vätgas med 99,9999% renhet, med en vattenhalt mindre än 5 ppm.
4.3.2 Verkningsgrad
Används solceller för att ladda batterier erhålls en verkningsgrad i laddnings-processen uppgående till ungefär 85%, räknat från eekt in från solcellen till användbar eekt ut från batteriet. Dvs sett från batteribanken (ekvation 4.4):
Put
Pin
≈ 0, 85 (4.4)
En elektrolysör och därtill kopplad bränslecell kan inte konkurrera med den siran. En typisk verkningsgrad för en elektrolysör är 45%, det vill säga att energiinnehållet i den vätgas som produceras är 45% av energin som solcel-lerna överför till elektrolysören. Det gäller till exempel den enhet, byggd av Proton Energy Systems, som används inom projektet GlashusEtt i Hammar-by.20 Vidare är en typisk verkningsgrad för en bränslecell ca 50%21 Det ger
en total verkningsgrad motsvarande ca 22%. För mindre system, det vill säga ett sådant som blir aktuellt i en fyrtillämpning, är verkningsgraden ytterli-gare något lägre. Det beror på att styrsystemets energiförbrukning utgör en större andel vid lägre eekt.
19www.protonenergy.com
20http://www.hammarbysjostad.se
Figur 4.1: Skillnad i verkningsgrad mellan FC-system med elektrolys och solcell/batteri-system
För Proton Energy Systems Hogen GC, den modell som används i exem-pelsystemet i kapitel 6, gäller följande: 6.5kWh/producerad Nm3 gas,
verk-ningsgrad ca 38%22 Det medför att en tillförd kWh producerar 0, 154Nm3
vätgas. I bränslecellen omvandlas sedan gasen till 0, 154∗1, 227 = 0, 189kW h.
23 Den totala verkningsgraden för ett sådant system blir således ca 19%. I
jämförelse med batterisystemets 85% är det ett lågt värde. Figur 4.1 visar skillnaden gra skt.
En avsevärt lägre verkningsgrad innebär, i ett verkligt system, nödvändigtvis ingen stor nackdel. Vid första anblicken kan skillnaden ses som ett kraftigt argument mot ett införande av tekniken, men följande resonemang visar att så icke är fallet. Solpanelerna som används idag står nämligen, under sommartid, outnyttjade stora delar av den ljusa tiden på dygnet. Genom att på ett bättre sätt ta tillvara överskottsenergi i fallet elektrolys kan fyren i själva verket drivas med en högre eekt än med motsvarande batterilösning. Be ntliga resurser utnyttjas helt enkelt eektivare. Nedan visas varför:
• Solcell/batteri
Batteribanken är dimensionerad för att klara den mörka årstiden, det vill säga i princip 2 månader utan nämnvärd laddning. Laddningsnivån är som lägst i början av februari24, då solen åter börjar lysa i så stor
utsträckning att batteriets laddning sakta kan öka. Någon gång under 22Dave Wol, Proton Energy Systems
23Förhållandet mellan gasmängd uttryckt i Nm3 och producerad elektricitet i kWh är
1 : 1, 23, se avsnitt 2.2.3.
april månad blir batteriet fulladdat under soliga dagar.25 Under maj
och fram till och med augusti är batteriet i princip konstant 100% laddat, endast en knapp timmes laddning på morgonen räcker för att ersätta nattens förbrukning. Mitt på sommaren är natten så kort att morgonens laddtid är ännu kortare.
Det gör att solpanelernas kapacitet är outnyttjad en mycket stor del av den aktiva tiden. Under sommarhalvåret handlar det om i storleksord-ningen 1000 timmar outnyttjad tid. Ett annat sätt att uttrycka saken är att approximativt 90% av soltiden under sommarmånaderna ej ut-nyttjas. Marginalkostnaden för att öka energikapaciteten och därmed bättre utnyttja den tillgängliga solenergin är hög. Den enda möjliga lösningen är att installera er batterier.
• Solcell/Elektrolysör/Bränslecell
Detta system har, jämfört med solcell/batteri, ungefär en fjärdedel så hög verkningsgrad. Tidsutnyttjandet när det gäller tillgänglig solener-gi ser annorlunda ut. Den lägre verkningsgraden kräver att solenersolener-gin i högre grad utnyttjas. Vidare är en av vätgasteknikens fördelar skal-barheten och den låga marginalkostnaden för ökat energilager. Den stora kostnaden ligger med andra ord inte i vätgaslagret, utan i bräns-lecell och elektrolysör i sig. Det innebär att det ges en större frihet när det gäller att dimensionera storleken på sitt energilager. Med ett tillräckligt stort gaslager kan 100% av solpanelernas möjliga eektiva tid utnyttjas. Det vill säga att all energi som solpanelerna klarar att producera används till att producera gas. Begränsningar i utrymme, ekonomiska avvägningar eller praktiska skäl medför förmodligen att ett fullt så stort lager inte installeras, men i princip är det möjligt. Resonemanget är dock endast fullt ut tillämpbart vid användning av någon form av tryckkärl. Utgörs gaslagret av metallhydrid är marginal-kostnaden fortfarande lägre än vid batterianvändning, men skillnaden är mindre. Nämnas bör också att lagring av vätgas i metallhydrid är mer volymeektiv än lagring i batterier, så ett utnyttjande av en given lagringsvolym ger möjlighet till större energilager.
Oavsett om möjligheten utnyttjas krävs det att energilagret, på grund av nämnda skillnader i verkningsgrad, har en högre energikapacitet än batte-ribankens. Under ljusfattiga månader under främst vår och höst kommer annars vätgaslagret inte att räcka till, då den energi som isoleras i vätgas-produktionen, per tidsenhet, blir mindre än vad som erhålls genom batter-laddning. Så länge vätgaslagret dimensioneras med en något högre kapacitet än motsvarande batteripack innebär den lägre verkningsgraden inget pro-blem. Elektrolysörens begränsning i drifttemperatur i kombination med
