DEE-54020 Polttokennot ja vetyteknologia Johdanto 1 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennot ja vetyteknologia III periodi Luennot: Risto Mikkonen, SH 311 ti 10-12 SE 100J ke 9-10 SE 100J Seminaarityöt 2 DEE-54020 Risto Mikkonen
Taustoitusta Sähkön kokonaiskulutus Suomessa 2014, 83.3 TWh TWh 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 0 3 DEE-54020 Risto Mikkonen
Taustoitusta Sähkön kulutuksen muutokset (muutos 2013/2014-0.7 TWh) TWh 7 6 5 4 3 2 1 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014-1 -2-3 -4-5 -6-7 4 DEE-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
Prologi 6 DEE-54020 Risto Mikkonen
Prologi (Cont.) Lakehurst, New Jersey 6.5.1937 7 DEE-54020 Risto Mikkonen
Tekes ohjelmia 1 Tekesin ohjelma DENSY (Distributed Energy Systems 2003-2007) 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-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
Hajautettu energiantuotanto Tuotanto lähellä kulutusta. Ei ole kytketty korkeajännitteiseen siirtoverkkoon. Pieni yksikkökoko, < 10 MW (<50 MW). 10 DEE-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
Polttokennot 2007-2013; 144 M Sähkö Tuotanto Fossiilinen pa. Jakelujärjestelmä Biomassa Sivutuote Putkistot Tankkausasemat Nesteytys 13 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennot 2007-2013 Paineistettu kaasu Polttokenno PEM Nestemäinen Kiinteä olomuoto Polttokenno Polttokenno PAFC AFC MCFC DMFC SOFC 14 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennot 2007-2013 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-54020 Risto Mikkonen
Ohjelman tulokset testataan Vuosaaren satamassa vuonna 2013-2014 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-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
Tehtyjä diplomitöitä (4) Vetyinfrastruktuuri ajoneuvojen tarpeisiin Suomessa Woikoski Oy Vedyn käyttö polttokennoajoneuvoissa Vedyn tankkauksen järjestäminen Rovaniemen ja Vuosaaren vetytankkausaseman suunnittelu Vetyinfrastruktuurin laajentamistarpeet 21 DEE-54020 Risto Mikkonen
Äetsän vetykylä Finnish Chemicals tuotantolaitos, Äetsä 22 DEE-54020 Risto Mikkonen
Äetsän vetytaloprojekti Sähkö Lämpö Vety 23 DEE-54020 Risto Mikkonen Finnish Chemicals
Polttokennomarkkinat 24 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno - hintatrendi 1970 600 000 $/kw (space) 2010 1000 $/kw (stationary) 1990 4500 $/kw (stationary) 25 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennomarkkinat Vuonna 2014 polttokennoliiketoiminnan volyymi 2 miljardia euroa Vuonna 2013 1.3 miljardia euroa Vuonna 2014 installoitiin yli 50 000 uutta järjestelmää (> 180 MW) 26 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno; hinta - ajoneuvokäyttö If mass production 500 000 units /yr 27 DEE-54020 Risto Mikkonen
Toyotan on polttokennoauto on nyt virallisesti Mirai 28 DEE-54020 Risto Mikkonen
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-54020 Risto Mikkonen
Mistä kaikki alkoi? Mittasi ja julkaisi polttokennoilmiön (käänteinen veden elektrolyysi), 1839. Groven koe havainnollistaa hyvin teorian, mutta on käytännön kannalta merkityksetön. William Grove (1811-1896) 30 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno - historia Konsepti: William Grove, 1839 Demo: Thomas Bacon, 1952 Ensimmäiset sovellutukset: Gemini ja Apollo avaruusalukset 31 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno - perusperiaate CASE Tarkastele ns. PEM-kennon toimintaperiaatetta. 32 DEE-54020 Risto Mikkonen
Vety + happi (ilma) >> sähkövirta 33 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno - perusrakenne Kennojännite n. 1 V niputetaan: stack 34 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno - rakenne 35 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno - stack 36 DEE-54020 Risto Mikkonen
Todellinen kennojännite 37 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennon häviöt Aktivointihäviöt g Vuotovirtahäviöt E z F Ohmiset häviöt Konsentraatiohäviöt 38 DEE-54020 Risto Mikkonen
Kaupalliset polttokennot Polttokennot voidaan luokitella esimerkiksi käytetyn elektrolyytin tai toimintalämpötilan mukaan Korkealämpötilakennot: SOFC Solid Oxide Fuel Cell (kiinteäoksidikenno), T op = 800 1000 0 C MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (sulakarbonaattikenno), T op = 600 650 0 C 39 DEE-54020 Risto Mikkonen
Kaupalliset polttokennot (Cont.) Matalalämpötilakennot PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (fosforihappokenno), T op = 200 220 0 C AFC Alkaline Fuel Cell (alkaalikenno), T op = 80 100 0 C PEM Solid Polymer Fuel Cell (kiinteä polymeerikenno), T op = 70 80 0 C DMFC Direct Methanol Fuel Cell (suora metanolikenno), T op = 110 130 0 C 40 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno sovellusalueet (1) Voimantuotanto Rajallinen siirtokapasiteetti Hajautettu tuotantomalli 41 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno sovellusalueet (2) UPS Tietojenkäsittely ja tietoliikenne 42 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno sovellusalueet (3) Talokohtainen CHP (mikro-chp) Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto Soveltuu alueille, joissa sähkön infratruktuuri heikko 43 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno sovellusalueet (4) Pien- ja mobiilisovellutukset Polttoainekäyttöiset latauslaitteet Mobiililaitteiden metanolipatterit 44 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno Sovellusalueet (4) Cont. Telelaitteet ja verkot Portable Power Etävalvontajärjestelmät 45 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno Sovellusalueet (5) Kulkuneuvot ja työkoneet Kaivosajoneuvot & pienet veturit Trukit Laivan sähköntuotanto ja propulsiokäytöt 46 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokenno sovellusalueet (6) Polttokennoautot Lähtökohtana päästöt ja energian käyttö Kaikilla suurilla autovalmistajilla omat tuotekehitysohjelmansa Tarjontaa siis on kuka tekee markkina-avauksen? 47 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennoautot - hyötysuhde 48 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennojen edut High Efficiency, 45-55 % No emission (in use) Modularity Silent Fast response time No moving parts 49 DEE-54020 Risto Mikkonen
Polttokennojen haasteet Life time Need of clean fuels Start up time Fuel reforming No H2 infrastructure High price, > 750 /kw 50 DEE-54020 Risto Mikkonen