Offshore brenselceller

Fremtidens offshoreinstallasjoner og skipsfart kan forsynes med CO₂-nøytral strøm fra en norskutviklet brenselcelleløsning.

Strøm er dyrt offshore. Gassturbiner, som har relativt lav virkningsgrad, brukes til å generere elektrisitet.

I dag kommer 25 prosent av norske CO₂-utslipp fra gassturbiner offshore. Det er knyttet CO₂- og NO_x-avgifter til disse utslippene, i tillegg til prisen på brennstoff.

Om offshorefartøy og skip i utenriks sjøfart også pålegges å betale CO₂-avgift, vil prisen bli høyere.

For å få bukt med dette, har et mye omtalt alternativ vært å trekke strømkabel ut til plattformene.

Men det er ikke bare enkelt. Ei heller er det billig. Uansett hvordan man løser det, er og blir strøm dyrt offshore.

• TU Ekstra: Havbruk blir mer og mer avansert, men færre vil studere marine fag 

Brenselceller som erstatter gassturbiner

Med dette som utgangspunkt, har CMR Prototech utviklet et alternativ; en brenselcelleløsning som erstatter gassturbiner, kan gå på naturgass, og som kombinert med CO₂-lagring gir netto karbonnøytral strømproduksjon.

I tillegg økes virkningsgraden. Fra omtrent 30 prosent med gassturbiner, til 60 prosent med brenselceller. Tar man også i bruk varmen som utvikles i brenselcellene, oppnås en virkningsgrad på 80 prosent.

For skipsfart kan økt virkningsgrad bety en halvering av drivstoffutgiftene.

Det hele er basert på romteknologi utviklet av CMR Prototech, og på sikt kan teknologien potensielt også finne veien ned til havbunnen i subsea-fabrikker, om oljeselskapene velger å satse på dette.

• Dwellop ble kjøpt for 190 millioner kroner: To ting var viktig for suksessen 

Begynte som subseakraftverk

Hos Prototech lekte de med tanken om å bruke brenselceller på havets bunn. Tanken ble til prosjektet CHEOP (Clean Highly Efficient Offshore Power), som Prototech presenterte for aktører i oljebransjen.

– Vi inviterte Statoil og Shell til å ta livet av idéen. Skepsisen var stor, som den skulle være. Men vi klarte ikke å ta knekken på tanken, sier Bernt Skeie, administrerende direktør ved CMR Prototech.

Statoil og Shell var interessert, og resultatet ble et felles utviklingsprosjekt på totalt 16 millioner kroner, støttet av Forskningsrådets Petromaks2-program. Målet er å utvikle en optimal brenselcellestack for offshore og maritim bruk.

I tillegg får et separat, men likevel nært tilknyttet prosjekt, støtte fra Gassnova. Dette er CHEOP CC, hvor det utvikles karbonfangst tilknyttet CHEOP.

• Fjernstyring av oljeplatformer: – Poenget er ikke å fjerne folk, men å la maskiner gjøre oppgaver de kan bedre enn mennesker

Brenselceller på naturgass

CHEOP-konseptet består av brenselceller som yter 32 megawatt strøm og 15 megawatt varme i form av olje på 160-180 grader. Til nå er det designet en løsning som kan levere 10 kilowatt fra åtte brenselcellestabler.

Det benyttes en kombinasjon av SOFC-stacker (Solid Oxide Fuel Cell) og PEM-stacker (Proton Exchange Membrane). Sistnevnte er velkjent teknologi, som typisk brukes i biler med hydrogenbrenselceller.

SOFC er på sin side brenselceller som er fleksible med tanke på brensel, og kan produsere strøm fra hydrogen så vel som naturgass og andre gasser. Slike brenselceller har imidlertid ikke vært demonstrert i megawatt størrelse tidligere.

En annen viktig forskjell på de to typene er operasjonstemperaturen. PEM er lavtemperaturteknologi, mens SOFC er høytemperatur. SOFC er best egnet når det kommer til CO₂-fangst, og kan gå på alt som inneholder karbon og hydrogen, og som kan gjøres om til gass.

– Skal du ha en brenselcelle i Nordsjøen, er det naturgass som er drivstoffet, og da er SOFC det første du tenker på, sier Ivar Wærnhus, seniorforsker i Prototech.

• Milliardmuligheter for norsk teknologi: Nå valfarter norske selskaper til Iran 

Må redusere vekt og volum

Den store utfordringen med denne teknologien er imidlertid at den veier mye. Særlig med tanke på at høy driftstemperatur stiller krav til isolasjon. Et rent SOFC-anlegg ville blitt for tungt for en oljeplattform.

Konseptet kombinerer derfor SOFC med PEM for å holde vekten nede. SOFC brukes til å produsere strøm, og å reformere naturgass som man kan produsere hydrogen med. Hydrogenet tas i bruk i PEM-stablene, slik at de kan produseres strøm fra hydrogen.

Effektuttaket fra PEM-modulene blir da totalt høyere enn fra SOFC-modulene. I et 32 megawatt-anlegg vil sju megawatt leveres av SOFC-modulene, og 25 megawatt fra PEM-modulene.

Naturgass og vann går inn, via et høytemperatursystem hvor det brukes palladiummembraner til å skille ut hydrogen, og putter resten av naturgassen i SOFC-modulene.

Uten CO₂-fangst er virkningsgraden rundt 60 prosent, men total virkningsgrad er 80 prosent dersom man også utnytter varmen fra prosessen.

Med CO₂-fangst blir virkningsgraden litt lavere, ettersom noe av energien må brukes til dette. Wærnhus forklarer at systemet kan optimaliseres til dette ved å legge til noen ekstra brenselceller, som kompenserer for dette.

• De ansatte kjøpte bedriften da den skulle selges: Nå har de ny teknologi klar

Tester på hydrogen

Utviklingen har så lang kommet til at Prototech tester løsningen på hydrogen nå, men det gjenstår mye arbeid før det kan settes i ordinær drift på en offshoreinstallasjon.

Å ha et anlegg som produserer strøm på 60 prosent virkningsgrad vil i seg selv være et stort steg fremover. Men slipper det ut CO₂, så vil det være store kostnader knyttet til CO₂-avgift.

– I utgangspunktet blander man ikke luft og brensel gjennom brenselcellen. Man gjør det gjerne i etterkant i en etterbrenner. I CHEOP CC ser vi på å bytte denne etterbrenneren med en oxyfuel-etterbrenner. Da blir eksosen kun CO₂ og vann, uten nitrogen. Det er lett å separere, sier Wærnhus.

Det er en nøkkel til å produsere oksygen på en effektiv måte. Da kan de lage en SOFC-variant hvor en oksygenmembran skiller oksygen fra luft. Kort sagt brukes brenselcelleteknologien til å lage en oksygenpumpe.

– Det koster litt strøm å gjøre det, siden strøm er drivkraften for separasjonen. Virkningsgraden kan falle et par prosent, men du kan tillate deg å kompensere med ekstra brenselceller, forklarer Wærnhus.

Prototech jobber med denne løsningen i vår, og planlegger å rapportere til Gassnova til høsten.

Parallelt tester Prototech en prototype av en SOFC-stack frem mot sommeren, både på hydrogen og reformat.

– Deretter kan data sendes til Shell og Statoil, slik at vi kan gå i gang med å designe en ferdig løsning. Den er nedskalert, men vi skal gradvis gå opp i størrelse, forteller Wærnhus.

• Oppfinnelsen hans kan bli kjempebutikk for arbeidsgiver: Selv er han kun tilbudt 30.000 kroner

Jobber ned størrelsen

Å stadig redusere vekt og størrelse i nye iterasjoner er viktig.

– Det er sånn vi er vant til å jobbe fra romfart. Du har noen klare forventninger om hvilken vekt og effekt du skal ende med, så gjelder det å jobbe seg inn mot det målet, sier Skeie.

Prototech kjøper inn kommersielt tilgjengelige brenselcellestacker, og jobber med å redusere vekt og volum på disse. Målet er en mindre og lettere SOFC-modul.

– Med PEM-moduler har vi andre produkter for romfart og annet, og vi lager nye lette og kompakte PEM-celler som kanskje kan brukes i fremtiden. Det brukes hyllevare først, så optimaliseres de, sier Crina Silvia Ilea, seniorforsker hos CMR Prototech.

Nøyaktig hvor brenselcellene skal kjøps fra, er ikke avgjort. Men det er mye å velge mellom der ute. Aktørene som leverer kommersielt har gjerne ikke de optimale løsningene med tanke på vekt og effekt. Men Skeie forklarer at de skal invitere de aktuelle som de har jobbet med tidligere, og leter etter nye. Også fordi de må finne de som kan bygge opp produksjonskapasitet.

• Med denne teknologien kan de bore hurtigere, lengre og dypere: På en lønnsom måte

Åpner et helt nytt marked

– CHEOP og CHEOP CC åpner et helt nytt marked. Jeg tror ingen av systemene i hele verden er på en offshore-plattform. De er på land, hvor vekten ikke er så viktig, forklarer Ilea.

Vekt og volum er derimot veldig viktig på skip og plattformer. En del komponenter er veldig tunge. Siden lignende løsninger har vært landbaserte, har dette ikke vært prioritert i markedet.

Dette kan ha andre ringvirkninger også. Ilea sier at de ser at materialkostnader går ned når brenselcellemodulene designes på en ny måte.

Prototech-sjefen har inntrykk av at de store aktørene innen brenselceller nå bare snakker om bil, buss, tungtransport og tog. Maritim og offshore later ikke til å være noe de tenker på.

– Det er mange andre bruksområder for dette også, som drivhus og fiskeoppdrett. Det er mange dører som åpner seg. Dette prosjektet kan ha en veldig høy impact, sier Ilea.

– Norge har en mulighet til å ta denne posisjonen og gi gass. Foreløpig er vi litt alene om dette, sier Skeie.

Det gjenspeiler seg også i forskningen. Ilea forklarer at de under utviklingen har forsøkt å finne forskningspublikasjoner som dreier seg om hvordan salt i maritime omgivelser påvirker brenselceller. Det er det forsket særdeles lite på.

– Derfor har vi hatt inne masterstudenter som har sjekket hva som skjer om det er salt i luften som tas inn i brenselcellene, sier Ilea.

Prototechs undersøkelser viser at det har en negativ effekt, men ikke verre enn at det er akseptabelt. Men det kan være lønnsomt å forsøke å filtrere luften for salt før den går inn.

• Mener de har knekt koden for å bore ekstremt langt: En «tunnelboremaskin» for oljebrønner

Brenselceller kan gi mer mening offshore

– Et annet viktig poeng er at et av de største hindrene til å bruke brenselceller på land er kostnadene for strøm på land. Det er vanskelig å matche kullkraft, eller norsk vannkraft. Men offshore er strømprisene relativt sett mye høyere. I alle fall med CO₂- og NO_x-avgift, og naturgasskostnader, kombinert med lav virkningsgrad blir strømkostandene relativt høye, sier Wærnhus.

– Det gjør at man ikke er like bundet til å få ned kostnadene som man vil være på land. Det er tilsvarende på skip også.

CO₂-avgiften vil trolig drive villigheten til å se på andre løsninger nå, tror han.

• NEL: – Vi har mulighet til å bli et viktigere land for hydrogenbil enn for elbil, men det krever en satsing

Subsea fremdeles en fremtidsvisjon

Når CHEOP eventuelt kan senkes ned på havbunnen, er usikkert. Nå snakker bransjen om «subsea på stylter», som vil bety at elektrisitetsforsyningen kan være over vann.

Om oljeaktørene ønsker å ta løsningen subsea, vil det i tilfelle skje når CHEOP er demonstrert på overflaten.

– Vi må demonstrere lang levetid uten vedlikehold, og kan ikke plassere noe på havbunnen som ikke er testet topside, sier Wærnhus.

– Det interessante med dypvannsmiljø er at det er nesten samme forhold som du har i rommet. Du har ikke mulighet for å gjøre vedlikehold på et system som skal opp der heller. Du får bare en sjanse, så det er mulig å overføre erfaringer fra romfart til subsea, sier Skeie.

Han sier dette er selvfølgelig et interessant forskningsområde for Prototech, men ikke noe som vil bli gjennomført før nødvendig industrifinansiering foreligger.

• Elon Musk: - Derfor har ikke Tesla satset på hydrogenbiler