vetyteknologia Johdanto 1 DEE Risto Mikkonen

Transkriptio

1 DEE Polttokennot ja vetyteknologia Johdanto 1 DEE Risto Mikkonen

2 Polttokennot ja vetyteknologia III periodi Luennot: Risto Mikkonen, SH 311 ti SE 100J ke 9-10 SE 100J Seminaarityöt 2 DEE Risto Mikkonen

3 Taustoitusta Sähkön kokonaiskulutus Suomessa 2014, 83.3 TWh TWh DEE Risto Mikkonen

4 Taustoitusta Sähkön kulutuksen muutokset (muutos 2013/ TWh) TWh DEE Risto Mikkonen

5 Sähkön hankinta energialähteittäin 2014 ; 83.3 TWh Ydinvoima 27,2 % Jäte Turve 1,0 % 3,5 % Kivihiili 9,8 % Öljy 0,3 % Biomassa 13,2 % Maakaasu 6,3 % Vesivoima 15,8 % Tuuli 1,3 % 5 Nettotuonti 21,6 % DEE Risto Mikkonen

6 Prologi 6 DEE Risto Mikkonen

7 Prologi (Cont.) Lakehurst, New Jersey DEE Risto Mikkonen

8 Tekes ohjelmia 1 Tekesin ohjelma DENSY (Distributed Energy Systems ) on ollut tuloksellinen ja edistänyt hajautettujen energiateknologioiden osaamista Suomessa. DENSY-ohjelman aikana tapahtui Suomessa laajalla rintamalla herääminen ilmastonmuutokseen ja energiankäytön vaikutuksiin. Kuitenkin liiketoiminnan läpimurto antaa vielä odottaa itseään. Kehittyneet yhteistyöverkostot toimivat osittain jo syntyneiden jatkoprojektien ja mm. DENSY-ohjelmasta alkunsa saaneen Polttokennotohjelman puitteissa. Kokonaisbudjetti 47 M, Tekes osuus 31 M 8 DEE Risto Mikkonen

9 Case Listaa kolme tekijää, jotka integroituvat hajautetun energiajärjestelmän määritelmään. Tekesin määritelmä: Paikalliset, pienen teholuokan, energian muunto-, tuotanto ja varastointijärjestelmien teknologiat sekä niihin liittyvät palvelut. 9 DEE Risto Mikkonen

10 Hajautettu energiantuotanto Tuotanto lähellä kulutusta. Ei ole kytketty korkeajännitteiseen siirtoverkkoon. Pieni yksikkökoko, < 10 MW (<50 MW). 10 DEE Risto Mikkonen

11 Globaali markkina suuri potentiaali Taloudet ilman sähköä 25 M 30 M 10 M 65 M 40 M 9 M 270 M 125 M 11 DEE Risto Mikkonen

12 Tekes ohjelmia 2 Tekesin Ilmastonmuutoksen hillinnästä liiketoimintaa ClimBusohjelma herätti yritykset huomioimaan ilmastonmuutoksen ja sai ne tunnistamaan uusia liiketoimintamahdollisuuksia. Ohjelma loi Suomeen vahvan ilmastoklusterin. Siihen osallistuneista 165 yrityksestä 67 prosenttia arvioi ohjelman vaikuttaneen liiketoimintansa kasvuun. Ohjelman rahoituksen kokonaisvolyymi oli 90,5 miljoonaa euroa, josta Tekesin osuus 43,6 miljoonaa. 12 DEE Risto Mikkonen

13 Polttokennot ; 144 M Sähkö Tuotanto Fossiilinen pa. Jakelujärjestelmä Biomassa Sivutuote Putkistot Tankkausasemat Nesteytys 13 DEE Risto Mikkonen

14 Polttokennot Paineistettu kaasu Polttokenno PEM Nestemäinen Kiinteä olomuoto Polttokenno Polttokenno PAFC AFC MCFC DMFC SOFC 14 DEE Risto Mikkonen

15 Polttokennot Liikenne Kiinteät asennukset, CHP Nichemarkkinat Tieliikenne Asunnot Kannettavat ja mikro FC:t Meriliikenne Hotellit Erityisajoneuvot Ilmaliikenne Sairaalat Kannettavat genetaattorit, UPS Rautatieliikenne Teollisuus H 2 -voimalaitokset 15 DEE Risto Mikkonen

16 Ohjelman tulokset testataan Vuosaaren satamassa vuonna Materiaalien käsittely, trukit, lukit, satamatraktorit Henkilöliikenne; tavoitteena bussit, kevytajoneuvot Teleliikenne, tukiasemat, valvonta ja turvallisuus: akut, UPS, varavoima Sähköä ja lämpöä satamakeskuksen tarpeisiin Mahdollisuutena energiainfrastruktuuri; maakaasu/biokaasu/vety/sähkö Vetytankkausasema satamaan 16 DEE Risto Mikkonen

17 Tehtyjä diplomitöitä (1) Kiinteäoksidikennojen johdinten materiaalivalinta VTT, Wärtsilä Teoriaosassa mallinnettiin järjestelmän lämmönsiirtoa ja kartoitettiin sopivia johdinmateriaaleja. Kokeellisessa osassa suoritettiin materiaaleille käyttökokeita (resistiivisyys, hapettumisnopeus jne.) 17 DEE Risto Mikkonen

18 Tehtyjä diplomitöitä (2) Uusiutuva energia Nurmi- Sorilan alueen suunnittelussa Tampereen kaupunki Teknistaloudellinen analyysi uusituvan energian potentiaalista uudella asuinalueeella Aurinkolämpö Aurinkosähkö Tuulisähkö Kaatopaikkakaasu polttokennoissa 18 DEE Risto Mikkonen

19 Sähkön ja lämmön tuotanto kaatopaikkakaasusta Kaatopaikkakaasua 5.8 miljoonaa m 3 vuodessa Energiasisältö 30 GWh Energiantuotanto WFC20 polttokennojärjestelmällä Sähköä 13.0 GWh, 76 % tarkastelualueen sähkönkulutuksesta Lämpöä 9.7 GWh, 44 % tarkastelualueen tilojen ja käyttöveden lämmitystarpeesta Kaatopaikkakaasun tuotanto vähenee tulevaisuudessa Biokaasun tuottaminen biojätteestä kompostoinnin sijaan 19 DEE Risto Mikkonen

20 Tehtyjä diplomitöitä (3) Heavy port equipment hybridization with PEM Cargotech Arvioidaan polttokennon installointiin liittyviä erityiskysymyksiä sekä vedyn varastointia konttilukissa ja RTG-nosturissa. Suoritetaan Road map kehityksestä ja pilottitoteutuksesta. 20 DEE Risto Mikkonen

21 Tehtyjä diplomitöitä (4) Vetyinfrastruktuuri ajoneuvojen tarpeisiin Suomessa Woikoski Oy Vedyn käyttö polttokennoajoneuvoissa Vedyn tankkauksen järjestäminen Rovaniemen ja Vuosaaren vetytankkausaseman suunnittelu Vetyinfrastruktuurin laajentamistarpeet 21 DEE Risto Mikkonen

22 Äetsän vetykylä Finnish Chemicals tuotantolaitos, Äetsä 22 DEE Risto Mikkonen

23 Äetsän vetytaloprojekti Sähkö Lämpö Vety 23 DEE Risto Mikkonen Finnish Chemicals

24 Polttokennomarkkinat 24 DEE Risto Mikkonen

25 Polttokenno - hintatrendi $/kw (space) $/kw (stationary) $/kw (stationary) 25 DEE Risto Mikkonen

26 Polttokennomarkkinat Vuonna 2014 polttokennoliiketoiminnan volyymi 2 miljardia euroa Vuonna miljardia euroa Vuonna 2014 installoitiin yli uutta järjestelmää (> 180 MW) 26 DEE Risto Mikkonen

27 Polttokenno; hinta - ajoneuvokäyttö If mass production units /yr 27 DEE Risto Mikkonen

28 Toyotan on polttokennoauto on nyt virallisesti Mirai 28 DEE Risto Mikkonen

29 Teollinen valmistaminen Avaruusteknologia Lentokoneteknologia Autoteollisuus 1 M /kg 10 k /kg 5 /kg - Uudet materiaalit - Uudet materiaalit - Alhaiset kustannukset - Uudet teknologiat - Teollinen mittakaava - Vakiintunut teknologia - Uusi tietotekniikka - Testattu tietotekniikka - Massatuotanto 29 DEE Risto Mikkonen

30 Mistä kaikki alkoi? Mittasi ja julkaisi polttokennoilmiön (käänteinen veden elektrolyysi), Groven koe havainnollistaa hyvin teorian, mutta on käytännön kannalta merkityksetön. William Grove ( ) 30 DEE Risto Mikkonen

31 Polttokenno - historia Konsepti: William Grove, 1839 Demo: Thomas Bacon, 1952 Ensimmäiset sovellutukset: Gemini ja Apollo avaruusalukset 31 DEE Risto Mikkonen

32 Polttokenno - perusperiaate CASE Tarkastele ns. PEM-kennon toimintaperiaatetta. 32 DEE Risto Mikkonen

33 Vety + happi (ilma) >> sähkövirta 33 DEE Risto Mikkonen

34 Polttokenno - perusrakenne Kennojännite n. 1 V niputetaan: stack 34 DEE Risto Mikkonen

35 Polttokenno - rakenne 35 DEE Risto Mikkonen

36 Polttokenno - stack 36 DEE Risto Mikkonen

37 Todellinen kennojännite 37 DEE Risto Mikkonen

38 Polttokennon häviöt Aktivointihäviöt g Vuotovirtahäviöt E z F Ohmiset häviöt Konsentraatiohäviöt 38 DEE Risto Mikkonen

39 Kaupalliset polttokennot Polttokennot voidaan luokitella esimerkiksi käytetyn elektrolyytin tai toimintalämpötilan mukaan Korkealämpötilakennot: SOFC Solid Oxide Fuel Cell (kiinteäoksidikenno), T op = C MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (sulakarbonaattikenno), T op = C 39 DEE Risto Mikkonen

40 Kaupalliset polttokennot (Cont.) Matalalämpötilakennot PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforihappokenno), T op = C AFC Alkaline Fuel Cell (alkaalikenno), T op = C PEM Solid Polymer Fuel Cell (kiinteä polymeerikenno), T op = C DMFC Direct Methanol Fuel Cell (suora metanolikenno), T op = C 40 DEE Risto Mikkonen

41 Polttokenno sovellusalueet (1) Voimantuotanto Rajallinen siirtokapasiteetti Hajautettu tuotantomalli 41 DEE Risto Mikkonen

42 Polttokenno sovellusalueet (2) UPS Tietojenkäsittely ja tietoliikenne 42 DEE Risto Mikkonen

43 Polttokenno sovellusalueet (3) Talokohtainen CHP (mikro-chp) Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto Soveltuu alueille, joissa sähkön infratruktuuri heikko 43 DEE Risto Mikkonen

44 Polttokenno sovellusalueet (4) Pien- ja mobiilisovellutukset Polttoainekäyttöiset latauslaitteet Mobiililaitteiden metanolipatterit 44 DEE Risto Mikkonen

45 Polttokenno Sovellusalueet (4) Cont. Telelaitteet ja verkot Portable Power Etävalvontajärjestelmät 45 DEE Risto Mikkonen

46 Polttokenno Sovellusalueet (5) Kulkuneuvot ja työkoneet Kaivosajoneuvot & pienet veturit Trukit Laivan sähköntuotanto ja propulsiokäytöt 46 DEE Risto Mikkonen

47 Polttokenno sovellusalueet (6) Polttokennoautot Lähtökohtana päästöt ja energian käyttö Kaikilla suurilla autovalmistajilla omat tuotekehitysohjelmansa Tarjontaa siis on kuka tekee markkina-avauksen? 47 DEE Risto Mikkonen

48 Polttokennoautot - hyötysuhde 48 DEE Risto Mikkonen

49 Polttokennojen edut High Efficiency, % No emission (in use) Modularity Silent Fast response time No moving parts 49 DEE Risto Mikkonen

50 Polttokennojen haasteet Life time Need of clean fuels Start up time Fuel reforming No H2 infrastructure High price, > 750 /kw 50 DEE Risto Mikkonen