Brenselcellesystemer («Fuel cell systems») med anvendelse

I denne delen ser vi nærmere på brenselcellesystemene, som altså anvender PowerCell sine brenselcellestabler (S1->S3) som ble presentert i den foregående delen. Vi gir en kort presentasjon av de ulike systemene, men det primære fokuset vil være på diskutere systemenes mulige anvendelsesområder (fortsetter under oversikten)

Fuel Cell System

Utklipp fra Årsrapport 2017.

PowerCell PS-5 (1-5kW): Back-up strøm og hjemmeløsning

Primært er systemet ment å brukes til å produsere back-up strøm, men systemet kan f.eks. også benyttes i private hjem til å produsere strøm fra fornybar energi som er lagret i form av hydrogen. Systemet bygger på PowerCell S2. La oss se på de to nevnte anvendelsesområdene.

Bruk som Back-up. Dagens samfunn er avhengig av at kritisk infrastruktur fungerer til enhver tid. Dette systemet kan brukes til å produsere strøm til kritisk infrastruktur som f.eks. basestasjoner og trafikksystemer ved et eventuelt strømbrudd. Det vil ofte være en avveining om man skal velge batterier, fossile brennstoffer, eller hydrogen som nødløsning. Batterier vil nok være rimeligst når man stort sett forventer korte og eventuelt hyppige strømbrudd. Fossile drivstoffer og hydrogen vil nok på sin side være mest logisk å bruke i områder hvor man kan forvente å ha lange perioder med strømbrudd.

PowerCell PS-5

Kilde.  https://www.powercell.se/wordpress/wp-content/uploads/2019/01/hires_ps5.jpg

Langsiktig energilagring til (fjerntliggende) private boliger. På verdensbasis ser man nå at stadig flere boligeiere som installerer solceller for å dekke hele eller deler av boligens energibehov.

Den store utfordringen når man skal dekke hele energibehovet gjennom solkraft, og/eller ikke er tilknyttet resten av strømnettet, vil være å tilpasse forbruket til produksjonen av energi. Særlig stor utfordringer vil man om natten/kvelden (når solen ikke skinner), og i lange perioder med lite sol (f.eks. vintermånedene).

Det beste løsningen for den som har behov for å jevne ut tilbudet av energi gjennom døgnet, vil være å installere batterier. For kortsiktige svingninger, så vil sjeldent lagring av overskuddsenergi i form av hydrogen være et godt alternativ. Hydrogen-alternativet vil være for lite energieffektivt til at det er et fornuftig alternativ for kortsiktig energilagring.  

For langsiktig lagring av energi, så vil derimot situasjonen kunne være en annen. For boliger som f.eks. ligger avsides, og som i tillegg har store svingninger i temperatur og soltimer gjennom året, så vil batterier typisk være en dårlig løsning. Årsaken til at batterier typisk vil være et dårlig alternativ, skyldes at man vil være avhengig av å investere mye i batterier som strengt tatt vil brukes lite (1 ladesyklus i året?). På motsatt side vil hydrogen kunne produseres mer eller mindre jevnt i den delen av året med mest overskuddskraft, før man i f.eks. i vintermånedene bruker det lagrede hydrogenet til å produsere elektrisitet ved hjelp av PowerCell sitt system.

Systemet kan altså være fornuftig som lagring av back-up strøm til kritiske installasjoner, i tillegg vil systemet være anvendelig i et isolert fornybart system hvor man har store sesongmessige variasjoner i forholdene. Systemet bør kombineres med batterier siden disse har en fordel på kortsiktige svingninger.  

PowerCell PS-100 (20-100kW): Integrert med sol- og vindkraft

Meningen er primært at dette systemet skal brukes til å jevne ut elektrisitetstilbudet. Man kan produsere hydrogen når strømprisene er lave (høyt tilbud), og bruke PowerCell sitt system til å produsere strøm fra hydrogen når prisene er høye (lavt tilbud). Systemet er i hovedsak bygget på PowerCell S2 og S3.

Vi har i NEL-analysene vært inne på at strømprisene vil variere mer og mer etterhvert som fornybar sol- og vindkraft skal stå for en større andel av energimiksen internasjonalt. Den store utfordringen til sol- og vindkraft er at energitilbudet sjeldent vil være det samme som etterspørselen, noe som vil være en stor utfordring om energien ikke kan lagres. Hvilke alternativer har man?

En løsning kan være å installere en betydelig overkapasitet av vind- og solkraft, og på den måten forsøke å sikre at man som regel vil klare å ha nok fornybar energi tilgjengelig. Løsningen vil ikke være særlig hensiktsmessig, siden strømprisene da bare vil variere enda mer enn de gjør i dag, samtidig som det ikke vil være økonomisk fornuftig å investere i en betydelig overkapasitet.

En annen løsning kan være det som man omtrent gjør i Europa i dag, nemlig å ha konvensjonell (fossilbaserte kraftverk) tilgjengelige når tilbudet av fornybar energi er lavt. En ulempe med å holde fossilbar kraft i beredskap vil selvsagt være at det vil være kostbart å ha nok tilgjengelig fossilbare kraftverk i beredskap. En annen ulempe er selvsagt at klimautslippene også vil holdes på et relativt høyt nivå når de fossilbare kraftverkene må brukes såpass ofte.

En tredje løsning kan være å installere batterier for å jevne ut forskjellen mellom tilbud og etterspørselen i energisystemet. Batterier kan åpenbart etter hvert bli en god løsning for å jevne ut svingningene gjennom døgnet, men det vil være kostbart å bruke batterier til å jevne ut forskjeller mellom sesongene.

En fjerde løsningen er å produsere hydrogen i den delen av året når energiproduksjonen er størst i forhold til etterspørselen, noe som i de fleste tilfeller vil være om sommeren. I den delen av året hvor der er energiunderskudd, så vil brenselcellesystemer (f.eks. PowerCell sine) produsere elektrisitet av det lagrede hydrogenet. Det er en forutsetning at prisforskjellene (og dermed tilbud/etterspørsel) er tilstrekkelig stor mellom periodene for at denne løsningen skal være lønnsom. Denne løsningen kan/bør forøvrig kombineres med den tredje løsningen, siden batterier vil være det meste effektive for å jevne ut kortsiktige avvik mellom tilbud og etterspørsel.

PowerCell PS-100

Kilde: https://www.powercell.se/wordpress/wp-content/uploads/2019/01/hires_ps100.jpg

PowerCell MS-30 (Mobilt 10-30kW (35kW)): Rekkeviddeforlenger og moderne hybridkjøretøyer

Dette systemet bygger på PowerCell S2, og er primært ment som en rekkeviddeforlenger i batteribaserte kjøretøyer (biler og busser). Man kan betegne batteribaserte kjøretøyer som anvender en hydrogenbasert rekkeviddeforlenger som «moderne» hybridkjøretøyer. Hva mener vi med moderne hybridkjøretøyer, og hva er fordelene?

Først, hva er «gamle» hybridkjøretøyer? Gamle hybridbiler vil typisk ha et batteri som gir en el-rekkevidde på godt under 100km (ofte under 50km), men bilene kan som regel kjøre minst like langt som en fossilbil som følge av at en også anvender fossile drivstoffer. En elektrisk rekkevidde på f.eks. under 50km kan virke å være for lite, men gitt at man faktisk lader hybridbilen, så vil faktisk en stor andel av brukerne være i stand til å kjøre en stor andel de årlige kjørte kilometer på ren elektrisitet. Årsaken er selvsagt at de fleste kjøreturene typisk vil være korte. Ulempen med de gamle hybridbilene er selvsagt at man på lengre turer vil kjøre på fossilt brennstoff, i tillegg så vil man måtte bruke fossilt brennstoff når man ikke har tilgang på lader, eller ikke gidder (glemmer) å lade bilen.

Hva med rene elektriske kjøretøyer, dvs. kjøretøyer som lagrer energien i batterier?Den store fordelen er selvsagt at man kan kjøre relativt miljøvennlig, selv om graden av miljøvennlighet vil avgjøres av hvor man befinner seg i verden. I dag ser man at bilparken i økende grad elektrifiseres, og da særlig i Norge. I bussmarkedet ser man også en økende elektrifisering, og da kanskje særlig i Kina.

En av de store utfordringene til batterikjøretøy er at batteriene er kostbare, noe som betyr at man for lønnsomhetens skyld ikke bør ha mer batterier enn det man strengt tatt trenger for å kjøre majoriteten av de kilometerne man årlig kjører. Gjennomsnittsturen er som nevnt som regel relativt kort. For rene batterikjøretøy er det ikke overraskende at en økende andel av kjøretøyene har en batterirekkevidde som er betydelig lengre enn en gjennomsnittsturen, noe som betyr at batteriene som regel ikke benyttes optimalt. Mye av grunnen til at man vil ha elbiler med lang rekkevidde skyldes usikkerhet (f.eks. knyttet til at kaldere vær reduserer rekkevidden), men selvsagt også at det er mest behagelig å tenke minst mulig på lading når man kjører.

I bussmarkedet gjelder en del av det de samme tingene som i bilmarkedet, selv om vanlige bybusser som regel har en enda mer bestemt kjørelengde enn det som er vanlige for privatbiler. De store usikkerhetsmomentene for rutebussene er blant annet knyttet til temperatursvingninger (trenger større batteri på samme rute når det er kaldt), endringer i rutene som bestemte busser kjører (ulike krav til batteristørrelse), tilgang på lading (hva gjør man ved et eventuelt strømbrudd?), osv. Generelt ender man også for bussene opp med å installere batterier som er større enn det man strengt tatt vil ha behov for på en «gjennomsnittstur». Nå kan man selvsagt si at bussene i utgangspunktet kjøres så mye, og er så effektive at et litt større batteri bør være greit, men det vil uansett være slik fleksibiliteten til bussene reduseres når de kun anvender batterier. Hva er så løsningen?

Moderne hybridkjøretøyer.I dette tilfellet vil rekkevidden til batteriene tilsvare en rimelig kjøredistanse, mens hydrogen vil benyttes når man har behov for å kjøre lengre enn det som er «normalen», eller når man har begrenset med lademuligheter tilgjengelig.

For biler kan f.eks. tenke seg at man kan kjøre 100 km på batterier, mens for bybusser vil man f.eks. kunne tenke seg at man vil være i stand til å kunne bruke batteriene på gjennomsnittsdag. For bussene vil man på ekstra kalde dager, dager hvor man kjører andre ruter, eller dager da man har utfordringer knyttet til lading kunne ha behov for å også bruke hydrogen.

I mange tilfeller vil slike moderne hybridkjøretøy gi lavere totael eiekostnader, siden man kan utnytte de energieffektive batteriene på en stor andel distansen man kjører i løpet av et år, samtidig som man ikke trenger å installere overdrevet store batterier for fleksibiliteten skyld.

Nissan e-NV200 med rekkeviddeforlenger*

Kilde https://www.greencarcongress.com/2017/03/20170302-symbio.html

*Ingenting med PowerCell å gjøre

PowerCell MS-100 (Mobile 50-100kW): Drift av store mobile fartøyer/kjøretøyer

I dette tilfellet snakker man om systemer som skal drifte kjøretøyer og fartøyer som primært skal benytte hydrogen som energilagringsmedium. Systemet er basert på PowerCell S3, og man har mulighet for å kople sammen flere systemer om man har behov for ytterligere kapasitet.

Hovedforskjellen fra det foregående systemet er nok størrelsen, selv om det også er andre forskjeller. La oss kort se på noen få bruksområder:

Kjøretøyer. Nikola har kun valgt å kjøpe brenselcellestabler fra PowerCell, men det er åpenbart at systemet til PowerCell kan benyttes til å produsere elektrisitet til både lastebiler, busser, og biler.  Hvor mange systemer man velger å koble sammen vil selvsagt kunne variere.

Skip. Skip går mellom faste havner som det er forholdsvis liten avstand mellom, vil ofte kunne drives med batteridrift. For store skip som beveger seg over lange avstander, så vil ren batteridrift ikke være et godt alternativ, og da vil PowerCell sitt system kunne være nyttig. En del fritidsbåter bør også kunne ha en fordel av å legge om til hydrogen.

Anleggsmaskiner. Utslippene fra anleggsbransjen får stadig mer fokus, men et begrenset utvalg av nullutslippsmaskiner på markedet, har gjort det vanskelig å redusere utslippene. Ren batteridrift kan være utfordrende i anleggssektoren, særlig med tanke på at tilgangen på elektrisitet kan være begrenset i mange områder, noe som øker behovet for store og kostbare batterier. Omlegging til hydrogen bør kunne være en god løsning i anleggsbransjen.

Nikola One

Kilde. https://nikolamotor.com/one