Forskningscenter 4M på vej mod et marked på seks mia. euro

onsdag 06 nov 13

Kontakt

Qingfeng Li
Professor
DTU Energi
45 25 23 18

Brændselsceller omsætter kemisk energi til strøm

En brændselscelle omsætter kemisk energi direkte til strøm. Brændselsceller ligner i deres virkemåde batterier, men de skal ikke oplades og kan køre, så længe der er brændsel. Fordelen ved brændselsceller er, at omdannelsen til el sker med høj effektivitet og med lave emissioner og støjniveau. Desuden er teknologien modulær, dvs. man kan bygge brændselscellesystemer i alle størrelser med stort set samme høje effektivitet. På de mest effektive er el-virkningsgraden oppe på 65 procent, hvilket er over selv de mest effektive store kraftværker. Der er flere forskellige brændselscelletyper, som adskiller sig ved de materialer, de består af, og den temperatur, de arbejder ved. Som en tommelfingerregel kan man sige, at jo højere temperatur en brændselscelle arbejder ved, jo flere forskellige brændsler kan den anvende, og jo mindre sårbar er den over for urenheder i brændslet:

Lavtemperatur PEM-brændselsceller arbejder ved under 100 °C, skal have meget ren brint og har virkningsgrader på 40-60 pct.

Højtemperatur PEM-brændselsceller arbejder ved 150-200 °C og kan ud over brint anvende naturgas samt methanol som brændsel, hvor der internt i systemet skal ske en lettere reformering af brændstoffet. Virkningsgraden er omtrent som for lavtemperaturtypen.

SOFC-brændselsceller arbejder ved 650-850 °C og kan anvende naturgas, diesel og biobrændstoffer. El-virkningsgrad ligger på omkring 65 procent.

Deltagerne i 4M

De 11 deltagere i forskningscenter 4M er de seks universiteter Danmarks Tekniske Universitet, Aalborg Universitet, Københavns Universitet, Syddansk Universitet, Sangmyung University (Korea) og Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA), de to forskningsenheder Forschungszentrum Jülich (Tyskland) og Korea Institute of Science and Technology (KIST; Korea), foruden de danske firmaer Danish Power Systems, IRD Fuel Cells og Serenergy.

Der er cirka 14 millioner oliefyr i EU. Et kæmpe marked til en værdi af 6 milliarder euro, hvis nogen finder en teknologi, der kan erstatte oliefyrene med apparater, der forurener mindre og udnytter energien bedre.

Denne teknologi kunne være mikrokraftvarmeanlæg baseret på brændselsceller, kaldet FC-μCHP (Fuel Cell – Micro Combined Heat and Power). Og denne nogen kunne være det nye 4M-forskningscenter på DTU Energikonvertering, der skal koordinere forskningsindsatsen fra otte danske og internationale universiteter og forskningsinstitutioner samt tre danske virksomheder fra den private sektor.

De fire M’er i 4M står for Mechanisms, Materials, Manufacturing and Management, og 4M-centret skal udøve grundforskning på verdensklasseniveau inden for højtemperatur-polymer-brændselsceller (HT-PEMFC) og bidrage til at fremme kommercialiseringen af brændselscellerne.

PEM-teknologien er ikke ny. Lavtemperatur-PEM-celler fungerer ved 80-100 grader celsius, hvilket gør dem meget brugbare i biler. Men mens en masse forskning i polymer-brændselsceller på verdensplan ser på lavtemperatur-PEM, er der kun et mindre antal grupper i verden, der forsker i højtemperatur-PEM (HT PEM), der fungerer ved temperaturer op til 200 grader celsius.

"HT PEM er af mindre interesse for bilfabrikanter, fordi den konstante tænd/sluk af biler er udfordrende for holdbarheden af HT PEM. Til gengæld er HT PEM lovende til brug i huse, hvor strømforbruget er mere konstant og stabil, og DTU har en enorm viden om både lavtemperatur- og højtemperatur-PEM celler," siger lektor ved DTU Energikonvertering og centerleder for Forskningscenter 4M, Qingfeng Li.

Danske regeringer og DTU har i årevis prioriteret forskning i PEM-brændselsceller, og der er en målrettet strategi for den fremtidige udvikling. Det gør Danmark til et af de førende lande i verden på PEM. Danmark rummer også hele tre danske virksomheder med speciale i PEM brændselsceller, virksomhederne Danish Power Systems, Serenergy og IRD Fuel Cells, og alle tre firmaer indgår i forskningscenter 4M.

"DTU Energikonvertering er internationalt anerkendt for at være i spidsen på HT- PEM-teknologier, så det var naturligt for de fleste, at vi påtog os udfordringen at lede forskningscentret,” siger Qingfeng Li.

4M’s formål er at indsamle mere viden, så HT-PEM-celler kan udnyttes bedre, blandt andet ved at PEM-baserede mikrokraftvarme anlæg måske kan erstatte oliefyret i private hjem. Men selv om HT-PEM-celler har mange og veldokumenterede anvendelsesmuligheder, er de stadig for dyre og ikke holdbare nok.

En lavtemperatur-PEM-enhed til en bil har en teoretisk levetid på 5000 arbejdstimer, men de fleste bruger kun bilen et par timer om dagen og kører gerne til service hver 20,000 km. Med et gennemsnit på 75 km i timen bruger man derfor kun 3000 timer i en bil før næste service. Målet for en HTPEM-enhed til et hus er i første omgang ca. 40.000 timer eller fem år. Selv det er imidlertid ikke nok for et kommercielt gennembrud.

"Vi har funktionelle HTPEM-enheder på markedet, men når du køber et oliefyr, kan du være næsten sikker på, at det holder mindst 10 år. Vi har ikke en tilsvarende viden om holdbarheden af ​​HTPEM-enheder. Vores mål er 40.000 timer, men vi er der ikke endnu, og vi opfinde hele tiden nye materialer og nye måder at gøre tingene på, så vi kan ikke vente fem år, før vi kan se, om det virker”, siger Qingfeng Li.

Danmark og EU kan heller ikke vente i årevis. Begge har politiske dagsordener, der arbejder i retning af en halvering af CO2-udledning og formindsket afhængighed af fossile brændstoffer, og begge ønsker at benytte brændselscelleteknologien til at gøre det muligt. Dette er en af grundene til, at forskningscenter 4M er blevet etableret med finansiel støtte fra det Strategiske Forskningsråd. Budgettet er 43,7 mio.​​ danske kroner, hvoraf 31 mio. er fra forskningsrådet. Af forskningsrådets 31 mio. går 7 mio. kroner til DTU.

"Vi har haft mange PEM-projekter med teknologiske mål, men 4M er anderledes. Denne gang vi har fem år til at indsamle grundlæggende viden og skabe et springbræt, hvorfra vi kan starte spin-off-projekter for at gøre brug af vores viden til produktion og kommercialisering af HT PEMFC-teknologien", siger Qingfeng Li.

Forskningscenter 4M varer indtil 2018.

For mere information, kontakt Centerleder Qingfeng Li, DTU Energikonvertering, Tlf. +45 4525 2318, e-mail: qfli@dtu.dk

Download billeder her

HT PEM-brændselsceller kan køre på 'urene' og nemt håndterbare brændsler som methanol eller methan

En PEM-brændselscellestak består af flere PEM-brændselsceller, der er forbundet elektrisk.

Forsker Lars Cleemann fra DTU Energikonvertering tester PEM-celler

Tillid og dansk forskningspraksis fører til PEM forskning i verdensklasse

Skiftende danske regeringers store fokus på brændselscelleteknologier er ikke den eneste grund til at dansk forskning er førende indenfor PEM brændselscelleteknologier. Den danske måde at forske på er også unik.

Fire danske universiteter forsker i PEM. Aalborg Universitet (AU), Københavns Universitet (KU), Syddansk Universitet Danmark (SDU), og Tekniske Universitet Danmark (DTU), men de komplementerer hinanden.

DTU forsker i materialer, polymer-brændselsceller og membraner. KU forsker i katalysatorer. Aalborg laver systemforskning, simulering og modellering. Og SDU forsker i materialer og evaluering af brændselsceller.

"Vi har samarbejdet på denne måde i årevis. Det var ikke planlagt eller koordineret på den måde, men det skete bare i og med at hver gruppe fandt deres rolle i en typisk dansk måde at gøre tingene på. Der er ingen konkurrence, jo selvfølgelig på en venskabelig måde, men vi er ikke direkte fjender eller konkurrenter. Ikke ligesom i nogen større lande, hvor universiteterne overlapper mere og på den måde må konkurrere meget mere om finansieringen. Vi hjælper hinanden", siger lektor på DTU Energikonvertering, Qingfeng Li.

Det samme gælder for de danske selskaber indenfor PEM-brændselscelleteknologi. Danish Power Systems laver komponenterne, mens IRD Fuel Cells og Seerenergy laver stakkene af brændselsceller. Hvert firma har sit speciale, så der er ingen direkte konkurrence, og ingen føler sig truet af andre. Det medfører samtidig, at hvis en af virksomhederne har et teknisk problem, så deler de andre ud af deres viden og hjælper hinanden, uden at gemme på oplysninger og være hemmelighedsfulde. Ligesom universiteterne. Det, mener Qingfeng Li, er en af ​​de vigtigste årsager til at Danmark er i helt front indenfor PEM-brændselscelleteknologi.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.