Early Markets: Hidrogénio e Pilhas de Combustível
C. M. Rangel, R.A. Silva
INETI, Unidade de Electroquímica de Materiais, DMTP Paço do Lumiar, 22, 1649-038 – Lisboa, [email protected]
Torres Vedras, November 2008
Sociedade do Hidrogénio, um Desafio para PortugalIniciativas para uma Plataforma Tecnológica
Introdução
Early markets
BarreirasTecnológicase de Aceitação
Custo
Durabilidade
Educação/divulgação
Cenário Energético Actual
Aumento nas necessidades energéticas: Soluções adequadas em tempo realEmissões de gases que contribuem para o efeito estufa: alterações climáticas
Volatilidade nos preços dos combustíveis
Instabilidade geopolítica das regiões produtoras
Emergência e crescimento de novas economias
Power generation global (expected new coal plants)
Emissões CO2
Livro verde - Estratégia Europeia para uma energia sustentável, competitiva e segura
Adaptar o nosso Sistema Energético
Mais sustentávelMenos dependente de combustíveis fósseis importados
Diversificação da oferta de energia compatível comFontes renováveis (aumento 6 12 % 2010)Vectores energéticos não poluentesAumento da eficiência energética (redução consumo 20% para 2020)
Hidrogénio e Pilhas de Combustível
Soluções atractivas- Ambiente Eficiência Custo
Investimentos para um novo paradigma
I&DEducação Orientada
Divulgação
Remover barreiras tecnológicas e de
aceitação
Tendências
• Número cumulativo de pilhas de combustível 30,000
• 20% (estacionárias de peq. potência); 50 novas unidades (20 MW) em 2007
• Principais mercados são tipo niche em aplicações portáteis e de transporte (aumentando)
• DMFC e PEMFC dominam pre-mercados (>95%);
• E a Europa?
Pilhas de CombustívelEntrada no Mercado
Early Market Applications KEY TARGETS:• Distributed Power: $750/kW and
40,000-hour durability (with 40% efficiency) by 2011
• APUs: Specific power of 100 W/kg and power density of 100 W/L by 2010
• Portable Power: Energy density of 1,000 W-h/L by 2010
Early markets for
stationary, backup
power, and specialty
applications will lower
costs and grow the
manufacturing base.
Fuel cell R&D is focused on early market applicationsFuel cell R&D is focused on early market applications
Pilhas de Combustível – Previsão Mercado
Aplicações Portáteis
ConfigurationShape and layoutNumberCross sectional sizelenght
Mercados Potenciais para Pilhas de Combustível para Aplicações Portáteis
Durability- ability to resist permanent change in performance over time
Reliability- ability to perform the required function
Cost
PEM Fuel Cells: Technology matures, timescale to commercialisation decreases.....
Lifetime requirements for transportation or stationary applications have not been met
Need for a more comprenhensive knowledge of materials ageing mechanism
275 *
30
2002 Baseline
$ /
kW
2015 Target
Fuel Cell SystemCost Status vs. Targets
2006 Status
107 *
*projected to high volume production of 500,000 units/year
275 *
30
2002 Baseline
$ /
kW
2015 Target
Fuel Cell SystemCost Status vs. Targets
2006 Status
107 *
*projected to high volume production of 500,000 units/year
2003 Status
2015 Target
Fuel Cell SystemDurability Status vs. Targets
Ho
urs
10002000
5000
2006 Status
2003 Status
2015 Target
Fuel Cell SystemDurability Status vs. Targets
Ho
urs
10002000
5000
2006 Status
Platinum, $2,956
Misc., $527
Stack Balance,
$639
Fuel System,
$340
Air System, $1,085
Cooling System,
$340Humidity System,
$640
MEA without Pt,
$790
Assembly, $436
TIAX Fuel Cell System 80 kW Direct H2
Cost = $97/kW (net), $7760
Stack46%
Humidity Management
8%
Thermal Management
4%
Air Management20%
Fuel Management6%
Misc8%
Assembly8%
Pilhas de CombustívelCusto Estimado para Sistema, Stack e
Componentes
Platinum cost is ~60% of total stack cost
Catalyst durability needs improvement
as low as $67/kW for 500,000 units/year, stack 46% of system cost.
Membrane8%
Electrode57%
GDL6%
Bipolar Plate9%
Seal6%
BOS3%
Final Assembly11%
2007 TIAX Interim estimate
Stack
Desafios comercialização
• Materiais (electrocatalisadores, membranas, componentes)
• Mecanismos de transporte (modelos)
• Ferramentas de Diagnóstico (electroquímicos, outros)
• Estabilidade- longo prazo (medidas de propriedades relevantes) –Aumento da durabilidade de componentes PC
• Correlacionar procedimentos para testes acelerados com os protocolos de teste para PC
Selecção de Novos Materiais e Condições de Operação para Pilhas de Combustível tipo PEM
24 membranes (membrane electrode assembly)25 W8 to 24 V370 mW/cm2
325 mW/ cm3
446 mohm/cm2
3 mV/hr1500 hr95x55x20 mm196 g5 - 40ºC
Fuel cell stackNominal power (theoretical)Output voltagePower densityVolume power densityOhmic resistance per MEAVoltage decay at 0,5 AUseful functioning lifetimeDimensionsWeightTemperature
25SR4-A
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
0 1 2 3 4
Current, A
Volta
ge, V
0
8
16
24
32
P (W
)
Desenvolvimento de uma pilha de combustível PEM
Projecto n.º 70/00244LUCIS / Projecto DEMTEC
Demonstração de Pilhas de Hidrogénio em Ambiente Real
DMTP Unidade de Electroquímica de Materiais
INETI
Armazenamento de hidrogénioutilizando Hidreto Metálico para uma autonomia de ~ 5 h
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1314 1516
0
2.3
4.7
10
15
21
30
3540
5060
7390
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
E/V
celulas
t/min.
Estabilidade célula a célula no “stack” em operação após “black-out”
Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação, I.P.
Projecto n.º 70/00244LUCIS / Projecto DEMTEC
Demonstração de Pilhas de Hidrogénio em Ambiente Real
Aplicação: UPS - Bancada de Ensaios Electroquímicos UEQM/Edifício C. INETI
Validação de tecnologias
LUCIS DEMTEC
Sistema híbrido, energia solar e energia eólica com sistema de Pilhas de Combustível a Hidrogénio.
EDEN- PPS4-INETI
Permobil, INETIConformidade EN -12184
INETI, SREConformidade Norma CEI-62282
Autosil, SRE, INETIIntegração, Engenharia e Teste
INETI (teste de ligas), Labtech (fornecimento de ligas e reactor)
Hidretos Metálicos
INETI (desenho e preparação de placas bipolares); SRE (montagem da pilha)
Fuel Cell
PermobilCadeira de Rodas
ParceirosProjecto de Conversão
Sistema híbrido
Comentários Finais- Algumas Barreiras Comercialização
Durabilidade/fiabilidade
Custo
Produção em massa
Aceitação por parte do consumidor/educação/percepção da tecnologiaCódigos/Normas
Testes de Desempenho e Certificação
Infra-estrutura
Pilhas de Combustível
Comentários Finais- Algumas Barreiras - Hidrogénio
Produção ( avanços técnicos para reduzir custos e aumentar eficiência)
Transporte e distribuição (infra-estruturas e investimentos)
Armazenamento (IDT, tecnologias actuais não são satisfatórias)
Conversão e uso final (Custo e desempenho, aceitação)
Regulamentação, códigos, normativas ( do laboratório para o mercado)
Aceitação (informar, educar para uma mudança de paradigma).
LISBON, 1-3 April 2009LISBON, 1-3 April 2009
TopicsTopics
Hydrogen Systems and Materials for Sustainability Hydrogen Systems and Materials for Sustainability
Fundamentals, Modelling and SimulationFundamentals, Modelling and SimulationHydrogen ProductionHydrogen Production
Hydrogen Storage and DistributionHydrogen Storage and DistributionFuel Cells in TransportationFuel Cells in Transportation
Fuel Cells in Stationary Systems Fuel Cells in Stationary Systems Hydrogen and Portable Fuel CellsHydrogen and Portable Fuel CellsBio-hydrogen and Bio-fuel CellsBio-hydrogen and Bio-fuel CellsSafety, Standards, RegulationsSafety, Standards, Regulations
National and International ProjectsNational and International ProjectsRoadmapsRoadmaps
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Full paper deadline: 31 January 2009
Hydrogen Power Theoretical and Engineering Solutions
International Symposium
Selected papers will be published in International Journal of Hydrogen Energy