Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Energetyka wodorowa
TAURON Polska Energia
5. grudnia, 2009
Piotr Tomczyk
Wydział Energetyki i Paliw
4430Inna odnawialna
6779Energia wodna
1216202Energia jądrowa
27231817Gaz
67922Olej opałowy
44444449Węgiel
Struktura zu Ŝycia %
184601423098703770ZuŜycie finalne energii elektrycznej Mtoe
2020201019971971lata
ZuŜycie energii elektrycznej i struktura paliw dla elektroenergetyki w ujęciu globalnym w
prognozie IEA (scenariusz referencyjny)
Konieczność zaspokojenia wzrostu popytu na energię elektryczną
na świecie
w kraju
Struktura procentowa energii pierwotnej w stuletniej prognozie IIASA/WEC – scenariusz
ekologiczny C1
•• Wzrost Wzrost śśrednich temperaturrednich temperatur
(globalne ocieplenie, lokalne (globalne ocieplenie, lokalne ochochłłodzenie),odzenie),
•• Topnienie lodowcTopnienie lodowcóów,w,
•• Podnoszenie siPodnoszenie sięę poziomu wpoziomu wóód d w morzach i oceanach,w morzach i oceanach,
•• Ekstremalne zjawiska Ekstremalne zjawiska pogodowe.pogodowe.
Skutki efektu cieplarnianego
Dlaczego wodór?
Wodór jest paliwem przyjaznym dla środowiska
H2 + 1/2O2 →→→→ H2O + 120 kJ/g• wodór i produkt spalania wodoru (woda) nie powodują efektu cieplarnianego
• magazynowanie wodoru jest łatwiejsze, tańsze i wydajniejsze niŜ magazynowania energii elektrycznej
• sprawność konwersji dla obiegu zamkniętego:
energia → produkcja wodoru →magazynowanie wodoru → energia
moŜe okazać się wyŜsza niŜ dla obiegu:
energia → produkcja elektryczności →magazynowanie elektryczności → energia
Rozkład wody
Środowisko
Spalanie
Przesył i magazynowanie
Energia odnawialna
H2H2
H2O
Czysta energia
O2
Zamknięty obieg wodoru
Realizacja obiegu wodorowego w praktyce
ZagroŜenie: Sprawność obiegu wodorowego powinna być zdecydowanie wyŜsza niŜ 4-12%!
Gospodarka wodorowa
Wodór jest nośnikiem energii
podobnie jak
elektryczność,która jest obecnie podstawowym nośnikiem energii w
systemach energetycznych
Energetyka wodorowa jako symbioząwykorzystania dwóch nośników energii:
wodoru i elektryczności
W wielu obszarach energetyki elektrycznośćmoŜe być konkurencyjna do wodoru
(magazynowanie energii, produkcja z surowców energetycznych)
ProdukcjaTransport i
magazynowanie Wykorzystanie
Wodór, H2
Energetyka wodorowa jako sieć powiązań pomiędzy produkcją, transportem i magazynowaniem oraz wykorzystaniem wodoru jako wtórnego nośnika
energii
Czy wodór jest bezpieczny?
Katastrofa „Hindenburga”, Lakehurst, N.Y. 6. maja, 1937 r.
Katastrofa „Hindenburga”,
Lakehurst, N.Y. 6. maja, 1937 r.
• spłonęło 200 000 m3
wodoru
• zginęło 37 osób
• 2/3 pasaŜerów przeŜyło
• poŜar rozpoczął się od łatwopalnej powłoki sterowca
• większość ludzi zginęła na skutek poparzenia paliwem płynnym
• spłonęło 200 000 m3
wodoru
• zginęło 37 osób
• 2/3 pasaŜerów przeŜyło
• poŜar rozpoczął się od łatwopalnej powłoki sterowca
• większość ludzi zginęła na skutek poparzenia paliwem płynnym
Katastrofa „Columbii”16. stycznia, 2003
A moŜe jednak mniej niebezpieczny niŜ się wydaje?
Doświadczenie przeprowadzone przez College of Engineering w Miami University
Czas: 0 min., 0 sek.
Czas: 0 min., 3 sek.
Czas: 1 min., 0 sek.
Czas: 1 min., 30 sek.
Rozwój gospodarki wodorowej
wymaga
akceptacji społecznej
Skąd wodór?
Tradycyjne sposoby produkcji wodoru
• zgazowanie paliw stałych
• zgazowanie paliw ciekłych
• konwersja lub rozdział paliw gazowych
• elektroliza wody
Elektroliza 3.9%Węgiel 18%
Gaz ziemny48%Paliwa ciekłe30%
Inne0.1%
Produkcja wodoru dzisiaj:50 Mt
W Polsce: zgazowania węgla!
Lp Reakcja Entalpia ∆ H 0r, 273
[kJ/mol]
1 C + O2 CO2 - 406,430
2 C + CO2 2CO + 160,896
3 C + H2O CO + H2 +118,577
4 CO + H2O CO2 + H2 - 42,361
5 CO + 3 H2 CH4 + H2O - 206,064
6 C + 2 H2 CH4 -83,800
Zgazowanie węgla nie jest technologia nową!
Rodzaje reaktorów do zgazowania
StrumieniowyZłoŜe fluidalneStałe złoŜe
81.67669.770-7589-91Sprawność energ. konwersji (%)
99.7>9996.590-9299.7Stopień konwersji węgla (%)
2-33-821-2.72.5-3Ciśnienie (MPa)
do 2000-1100950do 1800Temperatura strefy reakcji (°C)
O2+H2OO2+H2Opow. + H2O
pow. + H2O
O2+H2OCzynnik zgazowujący
SHELLTEXACOKRWHTWLurgi/BGTechnologia
Rodzaj generatora
Wybrane parametry technologii zgazowania węgla
IGCC – zintegrowany proces zgazowania węgla w siłowniach cieplnych
1. Studnia2. System
wodociągowy3. System tlenowy4. Mieszanie tlenu z
wodą5. Odwierty głębinowe6. Obszar reakcji7. Wydobycie gazu8. Oczyszczalnia gazu9. CO2
10. Gazociąg
Podziemne zgazowanie węgla (stary projekt)
Rysunek ideowy podziemnego zgazowania węgla
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Kon
cent
racj
a ob
j. [%
]
CO CO2 H2 CH4 H2O N2
Zgazowanie powietrzne - 4 - 6 MJ/m3Zgazowanie tlenowe - 10 - 14 MJ/m3
Skład gazu uzyskiwany w wyniku zgazowania powietrznego i tlenowego
• wysokie stęŜenie wodoru
• wysokie stęŜenie CO, który moŜe byćłatwo przetworzony na wodór
• łatwiejsze oddzielenie CO2
PoŜądane: tlenowe zgazowanie węgla
Efektywne i ekologiczne wykorzystanie węgla w sektorze energetycznym
• zastosowanie systemów sprzęŜonych turbin gazowo-parowych (efektywność konwersji)
→ konieczność zgazowania węgla (systemy IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)
• w przyszłości wykorzystanie produktu zgazowania →→→→wodoru →→→→ w ogniwach paliwowych wodorowo-tlenowych (energetyka rozproszona)
• konieczność separacji i magazynowania CO2 (ekologia)
• węgiel jako surowiec zapewniający bezpieczeństwo energetyczne kraju
Produkcja wodoru – sposoby niekonwencjonalne
• termiczny rozkład wody (termoliza)
• wykorzystanie bakterii i enzymów
• przetwarzanie biomasy z alg na biogaz
• rozkład fotokatalityczny wody
• z hydratów (wodzianów) metanu
• pyroliza węgla (gaz koksowniczy)
Technologia przyszłościowa: termiczny rozkład wody
2H2O → 2H2 + O2
• Bezpośredni:
temperatura procesu: ok. 2500 °C (bardzo trudny do realizacji)
• Cykliczne procesy termochemiczne:
temperatura procesu: 500-900 °C, sprawność do 50%, około 200 typów procesów proponowanych, próby laboratoryjne: ok.20.
• Hybrydowe procesy cykliczne (jeden etap nie jest procesem chemicznym, np. elektroliza)
ŚcieŜki reakcji dla cyklicznego procesu termochemicznego typu
siarka-jod
Reaktor wysokotemperaturowy z pętla helową
10020.020.113.413.214.5Minimalny % strat
242 00057 15059 30038 35037 50041 280
Minimalne straty energii
kJ/kmol H2
WodaWęgielCięŜkie frakcje naftowe
NaftaLPG
(CH2.6)
Gaz ziemny(CH4)
10020.020.113.413.214.5Minimalny % strat
242 00057 15059 30038 35037 50041 280
Minimalne straty energii
kJ/kmol H2
WodaWęgielCięŜkie frakcje naftowe
NaftaLPG
(CH2.6)
Gaz ziemny(CH4)
Minimalne straty energetyczne ponoszone przy produkcji wodoru z udziałem róŜnych
surowców energetycznych/nośników energii
Produkcja wodoru zawsze związana ze stratą energii chemicznej paliwa! Powinna być zrekompensowana przez lepsze wykorzystanie wodoru.
ZagroŜenie: Postęp naukowy i techniczny moŜe ograniczyć konkurencyjność energetycznych technik wodorowych (moŜe stanowić teŜ o jej rozwoju)
Wodór moŜe być wytwarzany przy zastosowaniu:
• wielu technologii
• z wykorzystaniem surowców lub warunków lokalnych
Istnieje szansa, Ŝe energetyka wodorowa pozwoli na zwiększenie niezaleŜności energetycznej państw (rejonów)
Magazynowanie i przesyłwodoru
298114>100Wodorki
alkaliczne (nieodwracalne)
298118150Wodorki kompleksowe
6570420Adsorpcja
29812max. 150Wodorki metali
21110071Ciekły wodór
29880013max. 33SpręŜony wodór
(zbiorniki kompozytowe)
Temperatura magazynowania
/ K
Ciśnienie wodoru/
bar
Procentowy udział masy wodoru w
masie urządzenia
/ %
Masa H2magazynowana
w 1 m3
urządzenia /kg m-3
Zjawisko wykorzystane do magazynowania
wodoru
Charakterystyka zbiorników wodoru wykorzystujących róŜne zjawiska do
magazynowania H2
Wymagania dla zbiorników wodoru w samochodach
ZagroŜenie:
• Metanol, eter dwumetylowy jako paliwa łatwe do efektywnego magazynowania
• Udoskonalenie technik magazynowania energii elektrycznej
Wysoka sprawnośćkonwersji energii
chemicznej wodoru w ogniwach paliwowych jako
bodziec rozwoju gospodarki wodorowej
Efektywność wytwarzania energii elektrycznej w róŜnych rodzajach generatorów prądotwórczych
Ogniwa paliwowe
Ogniwa galwaniczne
AkumulatoryKlasyczne Ogniwa przepływowe Ogniwa paliwowe
Trzeba naładować
Nie rozładowuje się gdy paliwo i
utleniacz dostarczane są do
OP
Rozładowanie
Ogniwa pierwotne
Recykling!
AkumulatoryKlasyczne Ogniwa przepływowe Ogniwa paliwowe
Trzeba naładować
Nie rozładowuje się gdy paliwo i
utleniacz dostarczane są do
OP
Rozładowanie
Ogniwa pierwotne
Recykling!
Ogniwo galwaniczne – bezpośrednia konwersja (przemiana) energii chemicznej paliwa na energięelektryczną
• utlenianie i redukcja zachodzą w róŜnychmiejscach urządzenia - na elektrodach (w reaktorach chemicznych paliwo i utleniacz reagująw całej objętości reaktora)
• elektrolit: rozdziela fizycznie procesy, zapewnia pośredni kontakt elektryczny między elektrodami za pośrednictwem jonów
Paliwo Utleniacz
Praca mechaniczna Elektryczność
ε = 0.12-0.20 ε = 0.35-0.65
Silniki spalania wewnętrznego Ogniwa paliwowe
Paliwo Utleniacz
Ciepło Ciepło
Bio-elektrochemiczne ogniwo paliwoweWęgorz elektryczny: ok. 500 V, ok. 1 A
Paliwa dla ogniw paliwowych
• GAZOWE
•WodórReforming gazu ziemnego, ropy naftowej, biogazuZgazowanie w ęglaZgazowanie biomasyElektroliza wody i rozkład termiczny wodyMetody biochemiczne
• Amoniak
• CIEKŁE
• Metanol
• Kwas mrówkowy
• Wodny roztwór glukozy
• STAŁE
• Węgiel
Woda + En. elektryczna → Wodór + Tlen
+-
H2 O2
Wodór + Tlen (pow.) → Woda + En. elektryczna
O2
- +
H2
Elektroliza wody
Ogniwo paliwowe
Elektrolit
Elektroliza wody a ogniwa paliwowe
Elektrolity
(brak przewodnictwa elektronowego, wyłącznie przewodnictwo jonowe):
• ciekłe
• wodne (wodne roztwory elektrolitów)
• niewodne (ciecze jonowe, np. sole stopione)
• stałe
• polimerowe (np.Nafion, Aciplex, Flemion)
• ceramiczne (np.ZrO2 stabilizowane Y2O3)
Dysocjacja jonowa
Elektrody:
• materiał o przewodnictwie elektronowym (mieszanym elektronowo-jonowym)
• porowate
• z materiału przyspieszającego reakcje elektrodową(elektrokatalizatora)
Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenkówElektrolit: ZrO2 dotowany Y2O3 (lub CaO).Temperatura pracy: 800-1000°C (wysokotemperaturowe)
1.35 kW
GlobalThermoelectric
(ostatnio zakupiony przez FCE)
Jak działa ogniwo paliwowe?
Przepływ utleniacza
Przepływ prądu
Dwustronna płytka separatoraAnodaElektrolit matrycowyKatodaDwustronna płytka separatoraAnoda
Przepływ paliwa
Budowa ogniwa paliwowego płaskiego
Ogniwo firmy Siemens-Westinghouse
anoda 100 -150 µmelektrolit 40 µmkatoda „nośna”
średnica 2,2 cmdługość 150 cm
Interkonektor
Elektrolit
Powietrzna katoda
Elektroda paliwowaPrzepływ powietrza
Przepływ paliwa
Ogniwo paliwowe o geometrii cylindrycznej
Schemat połączenia ogniw rurowych w wiązki
Oznaczenia: Nickel connector – ł ącznik (interkonektor) niklowy
•rodzaj elektrolitu
OP z elektrolitem zasadowym (Alkaline Fuel Cell = AFC)
OP z elektrolitem polimerowym (Polymer Electrolyte FC = PEFC, Proton Exchange Membrane FC = PEMFC)
OP z kwasem fosforowym (Phosphoric Acid FC = PAFC)
OP ze stopionymi węglanami (Molten Carbonate FC = MCFC)
OP stałotlenkowe (rurowe, płaskie, o obniŜonej temperaturze pracy) = Solid Oxide FC = SOFC, Tubular and Planar SOFC = TSOFC, PSOFC; IntermediateTemperature SOFC = ITSOFC)
•temperatura pracy
niskotemperaturowe (do ok. 100 °C): AFC, PEFC
średniotemperaturowe (od ok. 100 do 300 °C): AFC, PAFC
wysokotemperaturowe (powyŜej 500 °C): MCFC, SOFC
•specjalne OP
z bezpośrednim utlenianiem metanolu (Direct Methanol FC = DMFC)
regeneracyjne OP (Regenerative FC = RFC)
Podstawą kwalifikacji
ogniw paliwowych jest:
Podstawowym paliwem wszystkich wymienionych ogniw paliwowych jest WODÓR
Im wyŜsza temperatura pracy ogniw paliwowych tym większa tolerancja na CO w paliwie
Niskotemperaturowe: < 100 ppm
Średniotemperaturowe: < 1%
Wysokotemperaturowe: CO jest paliwem
Pierwsze zastosowania
Misja Gemini
Misja Apollo
Generatory stacjonarne z ogniwami paliwowymi
Wczesne zastosowania ogniw paliwowych
Lata 1972-2000
Generatory stacjonarne
PAFC
Tanie materiały węglowe jako podstawowe materiały stosowane w ogniwach paliwowych z kwasem fosforowym (PAFC)
1977 – 1MW (UTC, South Windsor, USA)
1983-5 – 4.5 MW (TEPCO, Goi, Japonia)
1991 – 11 MW (TEPCO, Goi, Japonia)
Pierwszy komercyjny stacjonarny generator
energii z OP- PC 25, cena: ok. 900 000 USD
� paliwo: metan� P: 200 kW
�� hhelel.: 40 % ; h.: 40 % ; h cc: 60 % : 60 % (40%)� t: 36 246 h w tym tc: 9 477 h� poziom hałasu: ok. 60 dB� producent: ONSI (Toshiba)� emisja NOx < 10 ppm
Rozmieszczenie urządzeń w module PC25 i zmiany gabarytów modeli
Falownik
Konwertor paliwa
Stos O.P.
Wymagania instalacyjne PC25
Przykład zastosowania (nie do końca udany)
moc elektryczna 200 kWmoc cieplna 220 kWzuŜycie gazu ziemnego,max 54 Nm3/hwydajność elektryczna 40 %wydajność całkowita 80 %
2 x PC 25
Rozmieszczenie generatorów PC 25 testowanych przez Ministerstwo Obrony
Stanów Zjednoczonych
Zespół generatorów PC 25 o mocy 1 MW w Anchorage (Alaska) zasilający
miejscowy urząd pocztowy
Test 30 generatorów PC 25 przeprowadzony przez Ministerstwo
Obrony Stanów Zjednoczonych
�Liczba testowanych typów:PC 25C = 15, PC 25B = 14, PC 25A = 1
�Sposób wykorzystania:Centralne ogrzewanie = 11Zasilanie szpitali = 7Obiekty sportowe, baseny = 3Koszary, pralnie, stołówki, urzędy, biura = reszta
Wyniki testu
�Liczba godzin przepracowanych przez wszystkie instalacje: 614 658 (średnio 2.4 roku/instalacje)
�Typ PC 25B:
bezobsługowe działanie: 54 % czasu całkowitegookres między wyłączeniami: 1518 h
sprawność elektryczna: 33-40 %
spadek napięcia 7%/1000 h�Typ PC 25C:
bezobsługowe działanie: 77 % czasu całkowitego
okres między wyłączeniami: 1541 hsprawność elektryczna: 32-38%
spadek napięcia 5%/1000 h
Pure Cell 200 (UTC):1. Reformer gazy ziemnego; 2. Ogniwo paliwowe, 3.
Falownik, 4. Urządzenia kontrolne
Ballard Mk6000 (PEFC), 250 kW. Testy zawieszone.
Charakterystyka jednostki stacjonarnej Ballard Mk6000 (generator na zasadzie
PEFC)
��Planowana moc:Planowana moc: 250 250 kWkW
��Parametry pracy Parametry pracy pojpoj. . ognogn.. 0.78 V przy 330 0.78 V przy 330 mAmA/cm/cm22
�� Liczba ogniw w stosie:Liczba ogniw w stosie: 688688
��NapiNapięęcie pracy:cie pracy: 535 V DC535 V DC
��NapiNapięęcie bez obcicie bez obciąŜąŜenia:enia: 700 V DC700 V DC
��Planowana sprawnoPlanowana sprawnośćść 40 % (36 % ?)40 % (36 % ?)
��Wymiary:Wymiary: 1.41 m x 1.68 m x 2.16 m1.41 m x 1.68 m x 2.16 m
��MasaMasa 5080 kg5080 kg
��CiCiśśnienie robocze:nienie robocze: 517 517 kPakPa
��Zasilanie: Zasilanie: Gaz ziemny (propan, wodGaz ziemny (propan, wodóór)r)
IHI (Japonia) 250 kW
Wysokotemperaturowe węglanowe ogniwo paliwowe:
Gaz syntezowy ze zgazowania węgla paliwem
300kW MCFC module300kW MCFC module
Stos 300 kW przed montaŜemSystem demonstracyjny
300kW
Test w Santa Clara. Generator 2 MW (EnergyResearch Corporation). 04. 1996 – 02. 1997
��Zasilanie: Gaz ziemnyZasilanie: Gaz ziemny
��2 MW = 720 h2 MW = 720 h
��1 MW = 4570 h1 MW = 4570 h
��Energia wytworzona: 2500 Energia wytworzona: 2500 MWhMWh
��SprawnoSprawnośćść elektryczna: elektryczna: 43.6 %43.6 %
��Koszt: 46 Koszt: 46 mlnmln US US doldol
Test w Kawagoe. Generator 1 MW (IHI i Hitachi).
08. 1999 – 01. 2000.
��Zasilanie: Gaz ziemnyZasilanie: Gaz ziemny
��1 MW = 4916/2669 h1 MW = 4916/2669 h
��Energia wytworzona: 2103 Energia wytworzona: 2103 MWhMWh
��SprawnoSprawnośćść elektryczna: 45 %elektryczna: 45 %
��Spadek napiSpadek napięęcia: 0.5cia: 0.5--0.7%/1000 h0.7%/1000 h
��NapiNapięęcie pracy cie pracy pojpoj. . ognogn. 0.763 . 0.763 --0.786 V0.786 V
��GGęęstostośćść prprąądu: 92du: 92--120 120 mAmA/cm/cm22
��Utylizacja paliwa: 76 %Utylizacja paliwa: 76 %
��CiCiśśnienie pracy: 0.49 nienie pracy: 0.49 MPaMPa
2005: HotModule (MTU CFC Solutions) w szpitalu Rhön-Klinikum w Bad Neustadt
przepracowało 25 tys. godzin
Moc elektryczna: 250 kW
Moc cieplna: 190 kW
Zastosowania stacjonarne
Moduł MCFC w GuerickeUniversity Medical Institute w Magdeburgu w Niemczech o
mocy 250 kW zainstalowany w 2003r. Koszt 3.5 mln EUR
Moduł MCFC o mocy skalowalnej 250 kW do 2MW z
wewnętrznym reformingiem gazu ziemnego
Generatory f-my Fuel Cell Energy (FCE), DFC
DFC3000= 2MW
DFC1500=1MW
DFC300=250kW
Test OP typu SOFC - Westervoort
I. kw.1998 -12. 2000.
�� zasilanie: gaz ziemny zasilanie: gaz ziemny
(konwersja wewn(konwersja wewnęętrzna do Htrzna do H22 i CO)i CO)
�� Siemens Siemens WestinghouseWestinghouse
�� PPt t / / PPrzrz--110 / 100 110 / 100 kWkW
�� t: 16 612 h (w tym tt: 16 612 h (w tym tc:c:12 600 h )12 600 h )
�� przerwa remontowa po t: 3700 hprzerwa remontowa po t: 3700 h
�� h h elel: 46 %: 46 %
�� h h elel+ c+ c: 75 %: 75 %
�� liczba ogniw : 1152liczba ogniw : 1152
Systemy sterowania ciepłem
Wylot gazów
Moduły elektryczne
Stos OP
Rekuperatory
Powietrze
Paliwo (gaz ziemny)
220kW 300 kW
Siemens-Westinghouse: SOFC + Mikroturbina
Jakie koszty?
Warunki ekonomiczne komercjalizacji generatorów z ogniwami paliwowymi
(cel):
• generatory stacjonarne:
1000 –1500 USD/kW 40 000-50 000 h
• generatory do nap ędu samochodów
50 USD/kW 5 000-8 000 h
Obecne ceny:
Generatory stacjonarne skomercjalizowane• PC25 (PureCell200)
Generator 4 000 USD/kW
Generator z dotacją państwową (USA) 3 000 USD/kW
Generator zainstalowany i pracujący 5 000 USD/kW
Koszt eksploatacji: 0.005-0.010 USD/kWh
(porównywalny z mikroturbiną)
Czas pracy: 40 000 h
Obecne ceny:
Generatory stacjonarne tuŜ przed komercjalizacją
• Hot Module (MTU) Obecnie W przyszłości
Stos ogniw paliwowych MCFC 3 000 USD/kW 750 USD/kW
Generator 7 000 USD/kW 1 500 USD/kW
Czas pracy: > 23 000 h
Gaz ziemny
Powietrze
Ogniwo paliwowe
Zbiornik ciepłej wody
Reformer
Ogrzewanie powietrzne
Ciepła woda
Elektryczność
Energetyka rozproszona
Reformer gazu ziemnego
Stos ogniw paliwowych
PEMFC
Odsiarczanie paliwa
NawilŜacz
Panel sterowania
„Grzewcze ogniwo paliwowe” f-my Vaillant + Plug Power
Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenkówElektrolit: ZrO2 dotowany Y2O3 (lub CaO).Temperatura pracy: 800-1000°C (wysokotemperaturowe)
1.35 kW
GlobalThermoelectric
(ostatnio zakupiony przez FCE)
Ogniwo tlenkowe HXS 1000 Premierefirmy Sulzer-Hexis
Ogniwo do uŜytku domowego
(przedkomercyjne)
• Moc elektryczna 1 kW
• Moc cieplna 2,5 kW
(z dodatkowym palnikiem do 22 kW)
• Sprawność elektryczna dla gazu ziemnego 25-30 %, docelowo > 30 %
• Sprawność całkowita ok. 85 %
Samochody elektryczne
Pierwszy samochód napędzany OP
Data Wytwórnia Model Technologia Paliwo1966 Karl Kordesch Austin A40 Union Carbite SpręŜony wodór
sedan 6 kW, AFC 320 km
� Toyota FCHV 4� Rok 2001� P: 90 kW�� czas rozruchu: 10 sczas rozruchu: 10 s�� vvmaxmax: 150 km/h: 150 km/h�� zasizasięęg: 350 kmg: 350 km
�� HondHondaa FCXFCX--V3V3
� Rok 2001� P: 78 kW�� czas rozruchu: 10 sczas rozruchu: 10 s�� vvmaxmax: 140 km/h: 140 km/h�� zasizasięęg: 330 kmg: 330 km
Samochody z OP r. 2001
Samochody niestandardowe
Samochody obecnie:
wył ącznie produkcja prototypowa
• Honda FCXwypo Ŝyczenie miesi ęczne: 8000 USD
wypo Ŝyczenie roczne: 88 000 USD
Cena planowana za 10-15 lat: 27-36 000 USD
Koszty
Sprawność eksploatacyjna samochodów elektrycznych z akumulatorami i ogniwami paliwowymi (”Grid-to-wheel” efficiency)
ZagroŜenie:
• Sprawność nowoczesnych elektrowni cieplnych zbliŜa siędo sprawności ogniw paliwowych. Elektrownie cieplne – technologia dojrzała
• Sprawność wykorzystania energii elektrycznej w samochodach z akumulatorami ok.3x większa niŜ dla samochodów z ogniwami paliwowymi.
Autobus Man 2001
P: 120 kW; l:300 km; vmax:75 m/h
Mercedes Citaro
�� 2001
�� P-250 KW
� zasięg: 300 km
�� v max.: 80 km/h
Autobusy z ogniwami paliwowymi
Zastosowania wojskowe i niszowe
Okręt podwodny typu 212A
Okręt podwodny typu 212A
• okręt zaopatrzony w ogniwa których sercem są polimerowe membrany elektrolityczne PEM (Proton Exchange Membrane lub Polymer Electrolite Membrane)
• Dziewięć zespołów ogniw Siemensa, z których kaŜde rozwija moc 34 kW
• siła elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi około 0,7 V, a natęŜenie prądu elektrycznego w obwodzie 650A
• ogniwa w trakcie pracy wytwarzają temperaturę około 80oC i osiągają sprawność w granicach 65%,
MoŜliwość przebywania z zanurzeniu przy
zasilaniu z ogniw – ok. 2 tygodnie
Helios
• Rozpiętość skrzydeł: 75,3 m
Długość: 3,6 m
Grubość skrzydeł: 0.3 m
Masa: 600 kg
Napęd: 14 silników DC (1,5 kW kaŜdy) •
Źródło energii: moduły baterii fotowoltaicznych, pracujące w dzień, umieszczone na przezroczystych skrzydłach; w nocy: ogniwa paliwowe(PEM)
•Prędkość: 30-40 km/h ( maks.270 km/h)
• Wysokość lotu: maks. 30000 m
Materiały: głównie włókna węglowe i styrofoam. Skrzydła pokryte specjalnąplastikową tkaniną
26 czerwca 2003 roku podczas lotu testowego Helios zanotowałproblemy ze sterowaniem. W następstwie doznał uszkodzeństruktury płatu, co doprowadziło do katastrofy.
Nowy system broni strzeleckiej:
karabin M16 lub M4 ,
wyrzutnika granatów M203
dalmierz laserowy z oświetlaczem celu
cyfrowa kamery
system identyfikacji bojowej
termalny układ kontroli ognia
Dla 72-godzinnej: średnia moc 20 W. 12,25 kg baterii wielokrotnego u Ŝytku lub 8,16 kg baterii pierwotnych
Program Land Warrior
• Dane techniczne XX25:• Moc na wyjściu: 25 W• Nominalna wartość
napięcia dla stosu: 7,2 V• Napięcie dla prądu
zmiennego na wyjściu: 6 -30 V
• Moc zmagazynowana w jednym naboju: 490 Wh
• Czas pracy na jednym naboju: 24 h przy stałej mocy: 20 W
• Zakres temperatur stabilnej pracy: od -20 do +49 °C
• Wilgotność względna: 0% -100%
Urządzenie z OP (RMFC) firmy UltraCell
Czy moŜliwe jest skonstruowanie ogniwa paliwowego z bezpośrednim utlenianiem węgla?
pomimo
• trudności technologicznych z ciągłym dostarczaniem węgla jako paliwa do ogniwa
• powolną reakcją utleniania węgla
• ograniczeniem strefy reakcji węgla (kontaktu z elektrolitem)
SzybkoSzybkośćść utleniania (spalania) wutleniania (spalania) węęgla dugla duŜŜo o niniŜŜsza nisza niŜŜ szybkoszybkośćść utleniania (spalania) utleniania (spalania)
wodoru wodoru
Węgiel (utlenianie węgla i produktów pirolizy) Wodór (utlenianie)
Samoistne procesy utleniania węgla →→→→ wysoka temperatura
Utlenianie węgla w OP →→→→ efektywne w OP wysokotemperaturowych
Układy odpowiednie dla ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem węgla
• alkaliczne 65-220°C czyste H2
• polimerowe 90 °C H2, CH3OH, CO<50 ppm
• z kwasem fosforowym 200-220 °C H2, CO<0.5%
• ze stopionymi węglanami 650 °C H2, CO
• stałotlenkowe 700-1000 °C H2, CO
Temperatura Paliwo pracy
Ogniwo Williama Jacquesa, 1896
C: anoda węglowa
E: elektrolit wodorotlenkowy (NaOH)
A: pompa tłocząca powietrze
Tygiel stalowy jako katoda
Przez długie lata uwaŜano, Ŝe nie zachodzi w nim bezpośrednie utlenianie węgla!
Schemat ogniwa paliwowego z bezpośrednim utlenianiem węglaElektrolit tlenkowy
Węgiel
Anoda
O2-
C + 2O2- → CO2 + 4e-
O2 + 4e- → 2O2-
Elektrolit
Katoda (tlen)
CO2
O2
Sprawność ogniwa paliwowego
ε = ε = ε = ε = εεεεTh εεεεV εεεεF U
εεεεTh – sprawność termiczna = ∆Gr /∆Ηr
εεεεV – sprawność napięciowa = V/SEM
εεεεF – sprawność faradajowska = irzecz/i f
U-wykorzystanie paliwa, np. H2in/H2out
paliwa) chemiczna (energia adostarczon energiaa)elektryczn (energia otrzymana praca ==== εεεε
Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego
Siła elektromotoryczna ogniwa (napięcie rozwartego ogniwa)
Polaryzacja aktywacyjna
Polaryzacja stęŜeniowa
Polaryzacja omowa
Dominacja polaryzacji aktywacyjnej
Dominacja polaryzacji omowejDominacja polaryzacji stęŜeniowej
E
j
Sprawność elektryczna ogniw paliwowych w zaleŜności od uŜytego paliwa (750°°°°C)
ε = ε = ε = ε = εεεεTh εεεεV εεεεF U
0.570.81.00.80.895CH4
0.45(0.35-0.65)
0.81.00.80.70H2
0.801.01.00.81.003C
εεεεUεεεεFεεεεVεεεεTh
Rozwiązania praktyczne: skala laboratoryjna
Zasilanie węglem
Rura korundowa
Zasilanie powietrzem
Separator
Kolektor anody
Przewody do katody
Kolektor katody
do anodyNapełnianie pneumatyczne
Węgiel + węglany
Anoda C
Elektrolit
Katalizator katody
Propozycje rozwiązań praktycznych
Anoda wejście
Katoda wejście
Komora anodowa
Wylot gazów anodowych
Wylot gazów katodowych
Zbiornik ściekowy
Pozwala na okresową wymianę elektrolitu
Utrzymuje zwilŜalność paliwa węglowego w trakcie jego zuŜywania
Zalety węgla jako paliwa
Paliwo + O2 →→→→ Spaliny + Energia
Węgiel 20.0 kWh l-1
Wodór 2.4
Gaz ziemny 4.0
Benzyna 9.0
Olej napędowy 9.8
Zalety ogniwa paliwowego z bezpośrednim utlenianiem węgla
• Brak zagroŜenia wybuchem paliwa. Samoistna izolacja paliwa od atmosfery zewnętrznej.
• Pełna utylizacja paliwa. Stała aktywność paliwa.
• Stabilne napięcie ogniwa:
Wady ogniwa paliwowego z bezpośrednim utlenianiem węgla
• Trudny technicznie problem transportu paliwa do ogniwa (pneumatyczny lub na drodze pompowania)
• Konieczna praca z polaryzacją co najmniej 20 mV dla uniknięcia emisji CO
• Wpływ zanieczyszczeń węgla (np.siarką) i pozostałości (popioły) na pracę ogniwa
• Konieczność albo zasilania czystym węglem albo usuwania popiołów
Wnioski końcowe
• Zasilanie ogniw paliwowych gazem węglowym: technologia wysoce zaawansowana – obecnie zbyt wysokie koszty inwestycyjne dla generatorów z ogniwami paliwowymi
• Ogniwo paliwowe z bezpośrednim utlenianiem węgla: skala laboratoryjna o duŜych potencjalnych moŜliwościach rozwojowych
Telefon Toshiba-
zasilacz - O.P.- DMFC
W =1 W dla t = 20 h
100 x 60 x 30 mm
30 x 60 x 20 mm
WADY:
metanol = trucizna
moc PEMFC ok. 150 razywiększa niŜ DMFC
Telefon Toshiba-
zasilacz - O.P.- DMFC
W =1 W dla t = 20 h
100 x 60 x 30 mm
30 x 60 x 20 mm
WADY:
metanol = trucizna
moc PEMFC ok. 150 razywiększa niŜ DMFC
Metanolowe ogniwo paliwowe (polimerowe)
Zintegrowane ogniwo paliwowe zasilane kwasem mrówkowym z aparatem
komórkowym (TEKION)
WNIOSKI
• Ze względu na zalety energetyki wodorowej jest ona powaŜnie rozpatrywaną przyszłościową opcją jej rozwoju
• Według ekspertyz UE powszechne wprowadzenie energetyki wodorowej nastąpi po roku 2025
• JuŜ obecnie wiele elementów energetyki wodorowej stosowanych jest w praktyce (IGCC, ogniwa Ni-MH, zastosowania specjalne)
• Szerokie wprowadzenie energetyki wodorowej wymaga podniesienia poziomu technologicznego we wszystkich jej etapach a takŜe obniŜenia cen i poprawy niezawodności