Ūdeņradis kā enerģijas nesējs un degviela elektrības un ...rea.riga.lv/files/Vide_un_Energija_2014_REA... · Vēsturiski pirmais veids, kā tika iegūta degoša gāze (ūdeņradis)

Starptautisks seminārs „Inovatīvi risinājumi un viedas tehnoloģijas ilgtspējīgai un drošai enerģētikai”

Jānis Kleperis Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta

Ūdeņraža enerģētikas materiālu laboratorija Institute of Solid State Physics University of Latvia,

Head of laboratory Hydrogen Energy materials

Ūdeņradis kā enerģijas nesējs un degviela elektrības un

siltuma ražošanā Hydrogen as an energy carrier and fuel

for electricity and heat generation


2

Saules izstarotā enerģija 3.9 x 1026 W Ūdeņradis ir Saules degviela. Vai mums ūdeņradis var būt degvielas vietā???

Saule un ūdeņradis

2


3

Saules prototips uz Zemes ITER (TOKAMAK)

3

Laika skala Laiks Pasākums

2006-11-21 7 dalībnieki vienojās kodolsintēzes reaktora būvei;

2008 Izvēlēta vieta ITER reaktora būvei (Francija, Kadaraša);

2009 Uzsākta vietas sagatavošana;

2010 ITER (Tokamak) kompleksa izrakumi uzsākti;

2013 Iesākts veidot ITER kompleksa konstrukcijas;

2015 Plānots: ITER komplekss tiek palaists;

2019 Plānots: ITER komplekss tiek atpumpēts;

2020 Plānots: ITER kompleksā tiek iededzināta plazma;

2027 Plānots: ITER kompleksā tiek palaista deitērija-tritija sintēze.


4

ASSOCIATION EURATOM - UNIVERSITY OF LATVIA (AEUL)

4

Latvija Eiropas kodolsintēzes programmai pievienojās 2000. gadā, un EURATOM – Latvijas Universitāte asociācija nodibināta 2001.gadā.


Ūdeņradis ir vieglākais elements periodiskajā sistēmā Visvairāk izplatītais elements uz Zemes, bet savienojumos Nav kancerogēns, nav toksisks

ENERĢIJA UZ VIENU KILOGRAMU H2 – 142 MJ (DEGVIELAI – 47 MJ/KG)

Kas ir ūdeņradis?


MŪŽĪGS ENERĢIJAS AVOTS – ŪDENS? Sabiedrības izvēle enerģijas resursu izmantošanā ir vienkārši sekojusi ogļūdeņražu ķēdes vienkāršošanai un ekonomiskajam izdevīgumam.

Pēdējās tendences ir vērstas uz oglekļa izslēgšanu no degvielas, jo ogleklis veido lielāko piesārņojuma procentu:

=

Resurss C/H, sv.% Qi*, kJ/kg

Koks (sauss) 50/6 17400 Akmeņogles 93/6 27000 Mazuts 85/11 43000 Dīzeļdegviela 86/14 44800 Autogāze 82/18 49000 Dabas gāze 75/25 55530 Ūdeņradis 0/100 141790

*Augstākā īpatnējā siltumspēja


MŪŽĪGS ENERĢIJAS AVOTS – ŪDENS?

Kurināmā elementos ķīmiski sadedzinātais ūdeņradis, reakcijas gala rezultātā pārveidojas atpakaļ par ūdeni: 2H2 + O2 → 2H2O + enerģija, tādēļ, cik no planētas paņemsim ūdeņradi un skābekli, tikpat arī atdosim atpakaļ. To atspoguļo ūdeņraža – skābekļa cikls:


Ogles, nafta, gāze

Biomasa

Saule

Ūdens

Vējš

Zeme

Kodolreaktoros un saules termoelektrostacijās liekais siltums

Enerģijas resursi un avoti ūdeņraža iegūšanai:


Ūdeņraža iegūšana: Vēsturiski pirmais veids, kā tika iegūta degoša gāze (ūdeņradis) jau 16. gadsimtā, bija karstas dzelzs reakcija ar ūdeni:

2Fe + 3H2O → Fe2O3 + 3H2

Joprojām lētākais ūdeņradis tiek iegūts dabas gāzes reformācijā ar pārkarsētu ūdens tvaiku:

CH4 + H2O ↔ CO + 3H2; ∆H = +206.16 kJ/mol

Kur lēta elektroenerģija, ūdeņradi iegūst elektrolīzes procesā, ar elektrisko strāvu sadalot ūdens elektrolītu (sārms) vai ūdeni:

H2O → H2 + ½ O2

Atomelektrostacijās, kur pieejams liels daudzums

lēta siltuma, ūdeņradi iegūst slēgtos

termoķīmiskajos ciklos (piemēram, sēra-joda u.c.),

sadalot ūdeni 600-800 oC temperatūrā


Ūdeņraža iegūšana no biomasas:

Šobrīd pasaulē attīstās tehnoloģijas ūdeņraža iegūšanai no biomasas, kas tiek pētītas arī Latvijā, piemēram, organisko savienojumu tumsas fermentācija (LU BF), pirolīze (RTU), sadalīšana ar karstu sārmu (LLU); un tieši biomasa varētu būt atjaunojams ūdeņraža ieguves resurss Latvijā, lai apmierinātu visas tautsaimniecības nozares – transportu, enerģētiku utt., pilnībā atsakoties no fosilo energoresursu importa


Ūdeņraža iegūšana: Ūdeņraža cena atkarīga no resursa un pieejamās enerģijas (2010.g. cenas):

Izejas resurss Cena, $/kg Process

Dabas gāze 2,21 Reformācija

Akmeņogles 3,06 Reformācija

Biomasa 3,53 Pirolīze

Ūdens 6,17 Elektrolīze

Salīdzināšanai transportā – 1 kg H2 ~ 100 km; siltums - 142 MJ/kg;

Salīdzinot zemāko īpatnējo siltumspēju, 1 kg H2 ir ekvivalents 2.75 kg benzīna


Ūdeņraža uzglabāšana:


Ūdeņraža izmantošana siltuma un elektrības

iegūšanai


Ūdeņraža gāzes bezliesmas sadegšana – apsildes iekārtas

Uz platīna katalizatora bez liesmas sadeg ūdeņradis un arī vieglākie ogļūdeņraži (metāns, butāns u.c.):

2H2 + O2 (gaiss) → 2H2O + Q (siltums)

CH4 + 2O2 (gaiss) → 2H2O + CO2 + Q (siltums)

Ar Pt porainu katalizatoru pārklāts aktīvais elements, uz kura bāzes tiek nodrošināta H2 sadegšana bez atklātas liesmas –

•kalorifera siltumspēja 4400 Btu (1.3 kW),

•patēriņš 45 litri H2/stundā;

•cena – 900 USD


Gāzes baterija (fuel cell: kurināmā elements, degšūna)

15 15

1896 1838 1839 Christian Friedrich Schönbein

Sir William Grove Wilhelm Ostwald


Kurināmā elementu tipi

No B. C. H. Steele & A. Heinzel, Nature, 414 (2001) 345

Cietā oksīda (solid oxide SOFC) un kausētu karbonāta sāļu (Molten carbonate MCFC) kurināmā elementi strādā ar ūdeņradi vai ogļūdeņražu degvielām; komercializētas kā koģenerācijas elektrostacijas (1 kW – 1 MW);

Fosforskābes (Phosphoric acid PAFC) kurināmā elementu šūnas ir vēsturiski pirmās komercializētās (200 kW u.c. koģerācijas (CHP) stacijas

Sārma (alkaline AFC); tika izstrādātas Apollo programmai, izmanto arī zemūdenes

Polimēru membrānas (polymer membrane PEMC) ir komercializētas pielietojumiem transportā un pielietojumos portatīvā elektronikā u.c.


Cieta skābekļa (elektrolīta) kurināmā elements Kurināmā elementu tipi

Starp katodu un anodu ir cietais elektrolīts – skābekļa jonu vadītājs augstās temperatūrās; Gaisa skābeklis plūst uz katodu; Degviela, jeb ūdeņradis vai ūdeņradi saturoša gāze (metāns) plūst uz anodu; Skābekļa joni elektriskajā laukā migrē caur elektrolītu līdz anodam un tur reaģē ar ūdeņradi; Ūdens reaģē ar metānu, rodas ūdeņradis un CO2; Ārējā ķēdē plūst elektroni, kas rodas elektroķīmiskajās reakcijās

500 – 1000 °C


Kausēta karbonātu sāļu kurināmā elements (Li,K,Na)2CO3 / CO3

2-)

Kurināmā elementu tipi 650 °C

Reakcijas: Katods: ½O2 + CO2 + 2e¯ → CO3

2- Anods: H2 + CO3

= → 2H2O + CO2 + 2e¯

Darbojas ar dažādām degvielām (iekšēja reformēšana) Liela efektivitāte Augsta temperatūra (degvielas reformēšanai labi) Pamatmateriāls elektrodiem - niķelis Korodējošs elektrolīts Pieejamas izstrādes


Elektroenerģijas piegāde

Pārvades tīkls

Aukstums Siltums

Fuel Cell System & Power Module

BIOMASSA – poligongāze, biogāze, sintētiskā deggāze

DABASGĀZE

Destilēts ūdens

Kurināmā elementi stacionārajā enerģētikā

Aukstums Siltums Destilēts ūdens Aukstums Siltums


Stacionāras kurināmā elementu elektrostacijas

Fuel Cell Energy 2 MW MCFC

No Breakthrough Technologies Institute: www.fuelcells.org

Siemens-Westinghouse 100kW SOFC

UTC Fuel Cells 200kW PAFC

Ballard 250kW PEFC

Plug Power 7kW Residential PEFC

Plug Power 10 kW Residential unit


Ballard 250kW PEFC

Plug Power 10 kW Residential unit


Ballard 250kW PEFC


Piemērs - 300 kW iekārta: FuelCell Energy (Danbury, ASV), MTU (Ottobrunn, Vācija)

Raksturīgie parametri: Jauda: 300 kW Izvades spriegums: 460, 440, 420, 400, 380 V; 50 Hz Svars: 12 t Izmērs: 6,1 x 8,5 x 4,6 m Trokšņu līmenis: 72 dB(A) 3 m attālumā Izplūdes gāzes temperatūra: 700 ± 50 ºC


CHHP sistēma DFC300 (“Fuel Cell Energy”, USA) – metāns tiek pārveidots elektroenerģijā:

2H2O+CH4 + siltums → 4H2 + CO2

No H2 tiek ražota elektroenerģija: • 1/2O2 + CO2 +2e- → CO3

2- • H2 + CO3

2- → H2O + CO2 + 2e- Darbības temperatūra: 600 – 650 ºC Litija un kalcija karbonāti; Niķeli saturoši elektrodi Nerūsējošā tērauda separatori un aparatūra.

DFC300 degvielas patēriņš – 1,1 m3/min (1104 l/min), (0,79kg dabas gāzes/min),

nozīmē, ka gada laikā kopā tiks patērēts 462500 m3 vai arī 365375 kg (365 tonnas) metāna gāzes

Sistēma gadā spēj saražot 2100 MWh elektroenerģijas, 2012 MWh siltuma, darbojoties ar 85-90% noslodzi


FuelCell Energy ražotās CHHP (combined hydrogen heat and power) sistēmas tiek izmantotas aptuveni 60 vietās pasaulē, kopumā šāda tipa iekārtas – 75 (2012.g. dati)

Pārtikas rūpnīcas, dažādas ražotnes, viesnīcas, slimnīcas, universitātes Notekūdeņu, biogāzes (no alus un pārtikas apstrādes), dabasgāzes u.c. pārvēršanai enerģijā

Kopumā pasaulē ierīkotas ap 580 uz kurināmā elementu

tehnoloģiju balstītas stacionāras iekārtas (2012.g. FuelCells.org dati )


Aptuvenas iegādes izmaksas (2012.g. cenas): 300 kW sistēmai: $4600/kW Lielāku izmēru kurināmā elementu sistēmām (jaudām virs 1 MW) izmaksas zemākas: $3000/kW


Latvijas Universitātes komanda: Gints Kučinskis , Māra Gudakovska, Ilze Dimanta, Justs Dimants, Jānis Kleperis juniors, Pēteris Tora. Vadītāji: Dr.phys. Janis Kleperis , prof. Dr.oec. Biruta Sloka

Kombinētās siltuma, ūdeņraža un elektroenerģijas

sistēmas ieviešana Latvijas Universitātes Dabaszinātņu

Akadēmiskajā centrā (2012.g. konkursam)


Dabaszinātņu korpuss gadā tērēs līdz 800 MWh elektrības un 350 MWh siltuma

DFC300 elektrostacija ar biogāzes ražotni no vietējiem atkritumiem


27

Stacionārā elektrības-siltuma apgādē ūdeņradi jau izmanto tādi koncerni kā:

27


28

Stacionārā elektrības-siltuma apgāde privātmājām

28

Šveice Vācija, Lielbritānija –

ene.field projekts FCH JU:

1000 viensētās Eiropā izvietot mikro-FC CHP vienības. Iesaistīti:


29


29

ene.field projekts FCH JU: 1000 viensētās Eiropā 12 ES valstīs izvietot mikro-FC CHP vienības.


30


30

ene.field projekts FCH JU: 1000 viensētās Eiropā 12 ES valstīs izvietot mikro-FC CHP vienības.


Portatīvi kurināmā elementu pielietojumi

Plug Power FC powered highway road sign

Ballard FC powered laptop

Plug Power FC powered video camera

Fraunhofer ISE Micro-Fuel Cell

No Breakthrough Technologies Institute: www.fuelcells.org

MTI Micro Fuel Cells RFID scanner


Kurināmā elementi transportā: Ūdeņraža kurināmā elementu bateriju komercializēšana visveiksmīgāk notiek autotransporta nozarē, un autoražotāju kompānijas jau šodien piedāvā simtiem jaunas elektriskās/ūdeņraža automašīnas (Hyundai, Toyota u.c.) Autotransportā izmanto PEMFC ar jaudu 50-100 kW, kuru izmaksu prognoze uz 2015. gadu ir 110 €/kW un 2020.g. – 43 €/kW, salīdzinot ar daudz augstākām elektrisko mašīnu akumulatoru izmaksu prognozēm (2015.g. – 457 un 2020.g. - 300 €/kW)


Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta Ūdeņraža enerģētikas materiālu laboratorija pēta:

• ūdeņraža iegūšanu elektrolīzē, fotokatalīzē, biomasas fermentācijā;

• polimēru kompozītu membrānas ūdeņraža pārnesei un atdalīšanai;

• ūdeņraža uzkrāšanu lielas virsmas cietvielu nanostrukturētos materiālos;

• elektrolīzes gāzu izmantošanu transportā un tautsaimniecībā.

Jau sen ūdens elektrolīzes gāzes kā piedevu lieto iekšdedzes dzinējiem automašīnās, mazāk zināma izmantošana apkurei.


Latvijas patents ūdeņraža apkures katlam, kas ielietojams apkurei, elektrības ģenerācijai (termoelektriskās baterijas):


Paldies par uzmanību!

Pateicības

Autors pateicas Valsts Pētījumu programmai enerģētikā (2006.-2009.; 2010.-2014.) par finansiālu atbalstu Ūdeņraža enerģētikas materiālu laboratorijas zinātniskajā izaugsmē, kā arī Laboratorijas kolektīvam par aizrautību, jaunradi un pašaizliedzību darbos.

Documents

Ūdeņradis kā enerģijas nesējs un degviela elektrības un ...rea.riga.lv/files/Vide_un_Energija_2014_REA... · Vēsturiski pirmais veids, kā tika iegūta degoša gāze (ūdeņradis)