CopenHydrogen

CopenHydrogen er et analyseprojekt, der undersøger om brint og brændselsceller kan introduceres i Københavns energisystem.

Målet med projektet er først og fremmest igennem analysearbejder at undersøge, om København fremtidigt skal satse på brintteknologier som balancering- og lagringsteknologi.

På sigt vil målet være at udvikle løsninger, som integrerer brintteknologier som en del af byens fleksible energisystem. Mere konkret kan det i fremtiden betyde demonstration af brintproducerede elektrolyseanlæg, brintlagring og brændselsceller samt en demonstration af, hvordan disse teknologier kan spille sammen med bygas, fjernvarme og brinttankstationer.

Projektet ledes af Københavns Kommune, og som partnere deltager HOFOR, DTU, Brintbranchen, Ballard Europe, GreenHydrogen, Haldor Topsøe, H2Logic og Dansk Gasteknisk Center.

Projektfaser

CopenHydrogen gennemfører i 2013/2014 det indledende analysearbejde. Budgettet for analysefasen er 4 millioner kroner, som er finansieret af partnerne i konsortiet og af en bevilling fra Energiteknologisk Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP) under Energistyrelsen.

Analysefasen vil afgøre, om og hvornår en demonstrationsfase skal gennemføres. Hvis det er tilfældet, kan projektet bevæge sig over i fase II og III, som vil indebære hhv. demonstration og kommercialisering. En 4-årig demonstrationsfase forventes at koste et trecifret millionbeløb. Derefter vil projektet overgå til kommercialiseringsfasen.

Læs grundfortællingen om CopenHydrogen dansk eller engelsk.

Læs pressemeddelelse vedrørende balancering og lagring her på dansk eller engelsk.

Copenhydrogen i Ingeniøren
Ingeniøren.dk bragte d. 12. november 2013 en artikel om CopenHydrogen, hvor projektet samt projektets faser blev beskrevet. Læs hele artiklen her.

Motivation

Københavns Kommune har som ambition at blive verdens første CO2-neutrale hovedstad i 2025, som præsenteret i Københavns 2025-Klimaplan. De ambitiøse målsætninger for at erstatte brugen af fossile brændsler med vedvarende energi fra vind-, sol- og biomasse medfører udfordringer med at opnå balance imellem produktion og forbrug af el og varme. Brintteknologierne kan rumme en nøgle til at løse nogle af de væsentligste udfordringer i udviklingen af et intelligent energisystem, hvor el-, varme- og gasforsyning i København er koblet sammen.

Københavns Kommune støtter op om netop CopenHydrogen for at blive klogere på, om man i København fremadrettet skal satse på brint og brændselsceller som balancering- og lagringsteknologi. CopenHydrogen kan være med til at skabe erfaringer inden for området og belyse, hvorvidt teknologien er moden til demonstration i København.

Konsortiepartnerne

Teknologierne

CopenHydrogen ønsker at undersøge brint og brændselsceller som konverterings- og lagringsteknologier for Københavns fremtidige energiforsyning. De brintteknologier, som i fase I kommer til at være genstand for analyseprojektet CopenHydrogen, er brændselscelleteknologier, elektrolyseteknologier og brint som energibærer. Se links i boksene til højre for at læse mere om teknologierne.

Når projektet træder ind i fase II, kommer en række af konsortieparterne til at levere brintteknologier til demonstration. Her vil det være SOFC- og PEM-brændselsceller og alkaline- og SOEC-elektrolyseanlæg, der kommet til at blive testet inklusive brintstationer og drift af styringsfaciliteter i samarbejde med brintteknologierne.

Nedenstående illustration giver et bud på, hvordan samspillet mellem brintteknologier og forsyningssystemerne for København kunne se ud.

Brint

Brint har gennem mange år været anvendt i industrielle processer, til ballontransport og lign., Men brint kan i fremtiden komme til at spille en langt større rolle i samfundet. Brint kan nemlig være løsningen på Danmarks store problem med vindmøllernes varierende elproduktion. Dette skyldes brints rolle som energibærer.

Brint kan afbalancere elnettet

I et vinddomineret energisystem kan elektrolyseanlæg benyttes til netbalancering ved at omdanne overskydende el fra vindmøllerne til brint, der kan lagres i det centrale naturgassystem eller lokalt i tilknytning til decentrale elektrolyseanlæg.

Den lagrede brint kan frigives i de perioder, hvor vindmøllerne har ingen eller lav elproduktion, og anvendes til elproduktion i brændselscellesystemer i mikrokraftvarmeanlæg og i decentrale kraftvarmeværker.

Brint har mange anvendelser

Desuden kan lagret brint anvendes til optankning af brintbiler og til produktion af syntetiske brændstoffer med høj energitæthed, f.eks. methanol, dimethylether (DME) og syntetisk naturgas, der kan erstatte oliebaserede brændstoffer som benzin og diesel i transportsektoren. Brint kan også anvendes til at opgradere biogas og forgasningsgas fra termisk forgasning, så også disse fossilfri VE-gasser kan lagres og distribueres i naturgassystemet til senere anvendelse.

På langt sigt er det også muligt at udvikle teknologier, der kan udnytte brint til produktion af andre syntetiske stoffer som polyethylen, polypropylen og andre typer plastik og derigennem frigøre også denne produktion fra den nuværende afhængighed af olie.

Brint kan lagres og efterfølgende distribueres enten som gas eller i flydende form. Flydende brint kan lagres og distribueres i tryktanke, som det p.t. sker til industriel anvendelse, mens brint på gasfase kan distribueres i rørledninger. I Danmark kan det vise sig oplagt at anvende det eksisterende naturgasnet til distribution, da der allerede er investeret omkring 30 mia. kr. i denne infrastruktur. Der foretages aktuelt analyser af naturgasnettets anvendelighed til brintdistribution, og der synes umiddelbart at være gode muligheder.

Brint kan lagres i forbindelse med faste stoffer, f.eks. metalhydrider, hvor brinten bindes i en kemisk forbindelse, eller hvor brinten er bundet til overfladen af faste stoffer som f.eks. grafit eller andre kulstofstrukturer. Dansk forskning tyder på, at også ammoniak kunne blive et interessant lagringsmedie. Fælles for disse lagringsteknologier er, at de kan gennemføres under lavt tryk og derfor har potentiale for lavere omkostninger på sigt.

Lagring af brint under højt tryk forventes dog at finde mest omfattende anvendelse i praksis. Den samlede energieffektivitet reduceres i forhold til det trykniveau som brinten bringes op til. Selv under høje trykniveau vil reduktionen dog være marginalt.

Brændselsceller

En brændselscelle er en enhed, der producerer elektricitet miljøvenligt, dvs. ganske uden udledning af CO2 og miljøskadelige partikler når brint anvendes som brændstof. Det foregår ved, at brændslet – brint – ledes ind i brændselscellen sammen med ilt. Inde i brændselscellen sker en reaktion mellem ilt og brint, under dannelse af vand og løse elektroner, der ledes ud i et kredsløb som elektrisk strøm.

Brændselscelle
Brændselscellens opbygning

Helt konkret består brændselscellen af et ionledende materiale ( en elektrolyt), som er indkapslet af på den ene side af en elektronledende katode og på den den anden side af en anode, som forsynes med iltholdig gas (luft) og brintholdig gas (brændsel). Ved den elektrokemiske proces i cellen opstår der en jævnspænding på ca. 1 volt. Men 1 volt kan ikke bruges til meget, så derfor serieforbinder man de celler, hvori brændselsprocessen sker. På den måde kan man forøge spændingen til et større og mere brugbart spændingsniveau. En brændselscelle kommer dermed til at bestå af en række celler, der er stakket.

Cellens aktive fladeareal er bestemmende for den strømstyrke, som stakken kan levere. Et brændselscellesystem kan modulopbygges af stakke, så de er meget fleksible, hvad angår anlægsstørrelser. Brændselscelleanlæg har desuden den fordel, at elvirkningsgraden ikke reduceres i mindre anlæg, således som det er tilfældet for motor- og turbineanlæg, der anvender tilsvarende brændsler.

Brændselsceller kan også anvende andre brændsler end brint, f.eks. såsom naturgas og diesel. Nogle brændselscellers elektroder er dog følsomme over for forskellige følgestoffer i de tilførte gasser, og nogle brændselscellesystemer skal derfor også forsynes med en reformer, der bringer brændslet på en form, som brændselscellen kan omsætte uden risiko for nedbrydning. Da brændselsceller producerer jævnstrøm, skal systemet desuden omfatte en inverter, der omsætter brændselscellernes jævnstrøm til vekselstrøm med den spænding og frekvens, som elsystemet skal bruge.

Fordelagtig energiproduktion med brændselsceller

Et brændselscelleanlæg omsætter kemisk energi direkte til elektrisk energi uden at være afhængig af en termisk mellemproces, sådan som tilfældet er for de konventionelle termiske forbrændingsanlæg. Dette gør det muligt at drive et brændselscelleanlæg med en forholdsvis høj elvirkningsgrad. Det er også muligt at ændre forholdet mellem anlæggets el- og varmeproduktion under drift. Denne store fleksibilitet gør anlæggene fordelagtige, hvis de skal inkorporeres i elsystemet.

Kilde: Overordnet strategi for udvikling af brændselscelleteknologi i Danmark (Energistyrelsen, Elkraft System og Eltra, 2003)

Elektrolyse

Elektrolyse er en elektrokemisk proces, der foregår ved, at elektricitet ledes via elektroder gennem vand. De to elektroder, anode og katode, har en henholdsvis positiv og negativ spænding. Spændingsforskellen medfører en ionisering af vandmolekylerne til brint- og iltioner. Ved den negativt ladede elektrode, katoden, samles de positivt ladede brintioner (H+). Ved den positivt ladede elektrode, anoden, samles de negativt ladede iltioner (O2-).

Elektrolysebetegnelsen på dette site bruges om den elektrolyseproces, hvor der produceres brint ved hjælp af elektricitet. Hvis elektriciteten er produceret på vedvarende energi-anlæg, f.eks. vindmøller, solceller eller biomasseforsynede anlæg, kan omdannelse til brint i elektrolyseanlæg bidrage markant til at reducere CO2-udledningen fra energiproduktion og transport.

Et elektrolyseanlæg er i sin virkemåde at opfatte som et ”omvendt” brændselscelleanlæg: Elektrolyseanlægget producererbrint fra el, hvor brændselscellen bruger brint til elproduktion. På den måde kan brint bruges som energibærer; energien lagres vha. elektrolyse og omsættes igen til energi gennem brændselscellen. Dette er et vigtigt aspekt – derfor forskes der i disse år i at udvikle mere effektive og konkurrencedygtige elektrolyseteknologier på grundlag af danske kompetencer inden for især PEM- og SOFC-brændselsceller.

Resultater

Projektet ’CopenHydrogen – balancering og lagring I’ (herefter blot CopenHydrogen) har haft til formål at demonstrere produktion af brint ved hjælp af elektrolyse, lagring af brint og produktion af elektricitet fra brint ved hjælp af brændselsceller, for herved at bidrage til balancering af el-systemet i samspil med forsyningerne af fjernvarme og bygas. Spildvarmen vil kunne nyttiggøres som fjernvarme, mens en del af brinten tænkes injiceret i bygasnettet.

Der er gjort mange gode erfaringer af deltagerne gennem projektet. Læs resultaterne herunder.