Energiatööstuse tulevik Ülevaade momendi

tehnoloogilistest võimalustest ja mõningatest lahendustest

Enn Lust Tartu Ülikool, keemia instituut

füüsikalise keemia ja rakenduselektrokeemia õppetoolid 11.04.2016

Jaotusvõrgu energiasalvestamine

Hajutatud tootmine

Lülitid ja elektroonika

Elektriautod

Hajutatud tootmine

Hajutatud tootmine

Biomassist energia tootmine

Hajutatud tootmine

Mikroturbiin

Energia salvestamine

Kütuseelement

Monitooring ja juhtimine

Kodune energiasüsteem

Elektri ja soojuse genereerimis- ning salvestussüsteemide hierarhiline jaotus (lokaalse (jaotusvõrgu) tarbimise

tasandil)

Wärtsilä fuel cells for stationary applications, copy from leaflet

http://www.eia.gov/forecasts/ieo/

http://waitbutwhy.com/2015/06/how-tesla-will-change-your-life.html

6

Praegune ning lähituleviku maailma energianõudlus kütuseallikate põhjal

http://www.energytribune.com/10966/europes-other-power-crisis-energy#sthash.TK1lQ4jQ.dpbs

http://www.oecdobserver.org/images/2081.photo.jpg

Maa energiabilanss ning kasvuhooneefekt

9

http://zolushka4earth.wordpress.com/tag/energy-budget/ http://earthguide.ucsd.edu/earthguide/diagrams/energybalance/

Energia tootmise kasv maailmas ja erinevate energiaallikate osakaal

http://www.eia.gov/forecasts/ieo/

In the IEO2011 Reference case world marketed energy consumption grows by 53 percent from 2008 to 2035.

Total world energy use rises from 505 quadrillion British thermal units (Btu ,1 Btu= 1055 J) in 2008 to 619 quadrillion Btu in 2020 and 770 quadrillion Btu in 2035.

Much of the growth in energy consumption occurs in countries outside the Organization for Economic Cooperation and Development (non-OECD nations) where demand is driven by strong long-term economic growth.

Energy use in non-OECD nations increases by 85 percent in the Reference case, as compared with an increase of 18 percent for the OECD economies.

Euroopa Ülemkogu otsus: EL aastal 2020

• Vähendada energia tarbimist 20%

• Vähendada kasvuhoonegaaside emissiooni 20%

• Taastuvenergiast toota 20% energiast

• Teise põlvkonna biokütuseid toota 10%

http://www.eia.gov/forecasts/ieo//electricity.cfm

http://www.eia.gov/forecasts/ieo//electricity.cfm

http://www.eia.gov/forecasts/ieo//electricity.cfm

http://www.eia.gov/forecasts/ieo//transportation.cfm

The U.S. Energy Information Administration's Annual Energy Outlook 2013 Early Release projects U.S. natural gas production to increase from 23.0 trillion cubic feet in 2011 to 33.1 trillion cubic feet in 2040, a 44% increase. Almost all of this increase in domestic natural gas production is due to projected growth in shale gas production, which grows from 7.8 trillion cubic feet in 2011 to 16.7 trillion cubic feet in 2040.

http://www.eia.gov/energy_in_brief/article/about_shale_gas.cfm

http://www.eia.gov/energy_in_brief/article/about_shale_gas.cfm

http://www.docstoc.com/docs/49847603/Shale-Gas-Plays-Lower-48-States

file:///C:/Users/N/Downloads/nclimate2939%20(3).pdf file:///C:/Users/N/Downloads/nclimate2939%20(3).pdf file:///C:/Users/N/Downloads/nclimate2939%20(3).pdf

http://www.eia.gov/energy_in_brief/article/about_shale_gas.cfm

Natural gas for transportation

Today, natural gas is already a conventional fuel choice, with 14 million natural gas vehicles in use around the world.

http://www.fortisbc.com/NATURALGAS/BUSINESS/NATURALGASVEHICLES/Pages/default.aspx

Natural gas vechicles can save 25-50 % in fuel costs

http://www.world-petroleum.org/index.php?/Technology/alternative-transport-fuels-courtesy-of-aip.html

Global transport Scenarios 2050, World Energy Council

Kasvuhoonegaaside tootmine maailmas

Energiamajanduse riiklik arengukava aastani 2020 (http://www.mkm.ee/public/ENMAK.pdf)

CO2 per person at 2005. year

EU 2050 Roadmap: Decarbonisation

• Uncertainty major barrier to investment

– Develop a long term technology neutral framework

– Capital cost of the energy system will increase

• Electricity to play increasing role

– Doubling to 39% of final energy

– Electricity Demand increases in all scenarios

– Electricity prices rise to 2030 and fall there after

– RES increases to 64% (HEE) and 97% in high RES

http://www.carbonbrief.org/how-much-of-chinas-carbon-dioxide-emissions-is-the-rest-of-the-world-responsible-for

http://www.carbonbrief.org/how-much-of-chinas-carbon-dioxide-emissions-is-the-rest-of-the-world-responsible-for

European Targets NREAP 2020 Wind Targets

Σ 24,8% kokku 13,2% taastuvatest (tuul) 0,24% transport Tuuleenergia 302,7 MW Biomass 86,45 MW Elektri väiketootmine 3,31 MW Eleringi andmed: 52% Biomass 40% Tuul

Sõltumatute elektri tootjate investeeringud : 606 M€ Eesti Energia investeeringud 155 M€

NB! Tuuleenergia kasv vähendab Nordpool’is elektrihinda jõudsalt

Eestis taastuvenergiad 2014. aastal

HYDROGEN

Hydrogen refuelling stations (Germany,

Denmark, Italy, UK, Spain, Estonia)

Hydrogen vehicles

Standardization as a main problem

14 member states initiative

Hydrogen from wind farms, solar systems, etc.

EU CLEAN FUEL

STRATEGY (2020/2025)

ELECTRICITY

Recharging points connected into

networks (Germany, France,

Netherland, UK, Spain, Estonia)

"Type 2" plug as the common

standard for the whole of Europe

USA – 60 million cars

China - ~6 million cars as well

BIOFUELS

nearly 5% of the market

A key challenge – sustainability

Mainly blended fuels

No specific infrastructure is

needed

LNG

For waterborne

transport and tracks

Infrastructure in

early stage

38 filling stations

(2012)

In 2020, 139

refuelling stations are

installed every 400

km along the roads

CNG

2012: One million

vehicles currently

use this fuel

representing 0.5% of

the fleet

The aims to

increase this figure

ten-fold by 2020

refuelling points

with maximum

distances of 150 km

by 2020

NATURAL GAS

http://ec.europa.eu/commission_2010-2014/kallas/headlines/news/2013/01/clean-fuel-strategy_en.htm

Kasvuhoonegaaside emissioon transpordis eri kütuste korral kogu tarneahela kohta (nt. alates toornafta

pumpamisest puurkaevust kuni tarbimiseni)

Vesiniku ja bensiini energia muundamise efektiivsuse võrdlus

Global transport Scenarios 2050, World Energy Council

Installeeritud Võimsus (MW)

2007 aastal

Orienteeruv tuulest toodetud elektri hind 2007 aastal

(€/MWh)

Regionaalne erinevus on >100 €/MWhAllikas: EWI

Tuulest genereeritud elektri 1MWh hind erinevates EL27++ riikides 2007 aastal

A few key findings from REF • 80% of U.S. electricity

demand can be supplied by renewables (hourly analysis, 2050)

• Multiple pathways could lead to 80%

• Changes would be needed, including – Operational practice

– Markets

– Transmission

– Flexibility

Riik 2011 2012

USA 119.7 140.1

Hiina 73.2 100.8

Hispaania 42.4 48.5

Saksamaa 46.5 46.0

India 26.0 28

Kanada 19.7 21

Ühend kuningriik 15.5 21

Prantsusmaa 12.2 14.9

Itaalia 10.1 13.2

Taani 9.7 10.2

Portugal 9.1 10.0

Rootsi 6.1 7.2

Austraalia 5.8 7.0

Türgi 4.7 5.8

Brasiilia 2.7 5.1

Holland 5.1 5.0

Jaapan 4.3 4.8

Iirimaa 4.4 4.2

Poola 2.7 4.7

Kreeka 3.3 3.9

Rumeenia 1.4 2.6

Belgia 2.3 2.7

Austria 2.1 2.4

Norra 1.3 1.7

Elektri genereerimine tuulest (teravatt tundides, TWh

aastas kokku)

All-Island Wind Statisitcs

Installed 2029MW

Maximum Output 1838 MW

Highest instantaneous from wind % 49.3 %

Highest daily energy from wind 43%

Maximum wind in a day 38.4 GWhr

Annual output % 2011 15.0%*

* Jan 2011-Jan 2012

Wind Capacity Factor System Wind Records

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011C

apac

ity

Fact

or

%

Year

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

jaan. veeb. märts apr. mai juuni juuli aug. sept. okt. nov. dets.

Ke

skm

ine

tu

ule

tu

gevu

s (m

/s)

Keskmine tuule tugevus Eesti asustatud punktides

KIHNU

PAKRI

SÕRVE

VILSANDI

Erinevate PV tehnoloogiaga päikesepaneelide areng ning efektiivuste kasv läbi aastate.

Peegelväljad päikeseenergia kogumiseks

Kõrgtemperatuursed

protsessid

Vee kuumutamine

J. Johnson, C&EN, October 20, 2008, p. 40; Arisoona kõrbes, üldpindala 70000 hetarit

Concentrating solar power: its potential contribution to a sustainable energy future, EASAC policity report. 16, Nov. 2011, p.

35

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Jaanuar Veebruar Märts Aprill Mai Juuni Juuli August September Oktoober November Detsember

Soo

juse

ne

rgia

(kW

h)

Eramu küte + soe tarbevesi

Soojusenergia päikeselt

Energia vajadus eramu kütteks ja sooja tarbevee tootmiseks ning 12 m2 pinnaga päikesesüsteemi poolt toodetud energiahulk kuude lõikes.

0

10

20

30

40

50

60

70

Jaanuar Veebruar Märts Aprill Mai Juuni Juuli August September Oktoober November Detsember

Ene

rgia

hu

lk (

kWh

/m2)

1m2 suuruse päikesekollektori poolt toodetud energiahulk Eestis

Tuulest (roheline) ja päikesest (punane) elektrienergia tootmise võimsuse varieerumine aasta lõikes Inglismaal. Mõlemal juhul on näidatud suhtelist võimsust ehk toodetud võimsus on läbi jagatud vastava allika aasta keskmise tootmisvõimsusega. Intensiivsema värviga ala tähistab 25ndat ja 75ndat protsentiili ning heledam ala 5ndat ja 95ndat protsentiili päevastest andmetest.

Umbkaudne hinnang elektri tootmise jaotusest päikesest ja tuulest aasta kohta Saksamaal, samuti sooja vee, kütte, elektri ning transpordis kuluva energia vajadused aasta kohta. Iga kuu väärtused on läbi jagatud terve aasta peale toodetava/kuluva väärtusega.

Optimaalne ja mõõdukas elektrivõrgu laienduse kava Euroopas

Erinevad elektrienergia salvestamise võimalused

Tuulest ja päikesest saadud energia salvestamine Eesti oludes

Euroopa Liidu vesiniku tanklatega varustatud maanteevõrgu moodustavad praegusel hetkel (233) erinevates riikides H2

tankimisjaamad. Kõige rohkem vesiniku tanklaid on Saksamaal (41 jaama)

H2NODES: Vesiniku tanklate väljaarendamine transpordivõrgustikus EL-s. 1 vesinikutankla Pärnusse

Erinevate enamlevinud elektrolüüserite tüübid ja tehnilised andmed

Eth,vesi ja Eth,aur tähistavad vastavalt vee ja auru termoneutraalse elektrolüüsi pingeid. Epöörduv on vee elektrolüüsi pöörduv potensiaal standardolekus.

Erinevate kaasaegsete elektrolüüserite polarisatsioonikõverate vahemikud

Norsk Hydro 30000Nm3/h (150 MW)Elektrolüüserid (1947-1990)

Ühendatud vesinik-hüdro elektrijaam komplekslahendusTootis 70000kg vesinikku päevas

Norsk Hydro leeliselise elektrolüüdiga elekrtolüüserite jaam (150 MW; 70 tonni H2 päevas)

Momendil on maailmas üle 230 H2 elektrolüüserite tootja. Ühed tuntuimad nendest on Hydro (Norsk Hydro) (NHEL), Simens, Ballard jt. Vesinik on ideaalne kütus, kuna ta maksimaalne kütteväärtus on 39 kWh kg-1

Vesiniku aluselise elektrolüüdiga elektrolüüserite moodulid (NEL)

Elektrolüüseri kasutatavus elektrienergia kiireks salvestamiseks.

Senini suurim 1,1 MW (Ballard) vesiniku kütuseelement Toyota peakorteris Californias

PEM elektrolüüser, mis töötab 30 bar (Hz) rõhu all

GHW on välja töötatud 500 kWel, 30 bar rõhul leeliselise PME (pressure module electrolyzer) elektrolüüseri

Võimaldab väga kiiret (sekund – minut) koormuste vaheldumist (võib töötada 10-120% nominaalväärtuse vahemikus)

1MW suurune moodul mahub ära alla 1 m2 suurusele pinnale

1 Nm3 H2 tootmiseks kulub 4 kW elektrit(umbes 45 kW elektrit 1 kg H2 tootmiseks)

Võrdluseks on toodud H2 tootmine kasutades traditsioonilist aluselisest keskkonnas töötavat elektrolüüsi. Sektordiagrammis on toodud tootmishinnad võttes arvesse eelnevalt toodud tabelit.

H2 tootmishind väljendatuna toornafta hinna ekvivalendis vs elektri hind

Vesiniku säilitamise võimalused.

T. Risthein, Sissejuhatus energiatehnikasse, Kirj. Elektriajam, Tallinn, 2007.

Energiamuundurite kasuteguri olenevus

nimivõimsusest 1 kõrgtemperatuursed aluselise

elektrolüüdiga kütuseelemendid

2 madaltemperatuursed

kütuseelemendid

3 diiselmootorid

4 ottomootorid

5 auru- ja gaasiturbiinid

Fuel cell

die Brennstoffzelle

Toпливний

элемент

Fuel Cell

H2 O2

H2O + electricity

aKnFRTG/nFE ln/ΔΔ 0

STHG ΔΔΔ

Erinevate kütuseelementide võrdlus

Toyota says it has cut the cost of building fuel-cell vehicles

by 90 percent and could sell its first hydrogen vehicle for

$50,000 by 2015.

http://www.wired.com/autopia/2010/05/toyota-50000-fuel-cell-vehicle/

California Hydrogen and Fuel Cell Vehicle Roadmap Project

History Gen I

commercial

cell

2001 2003 2005 2007 2009 2011 2012

First

laboratory

prototype

Exclusive co-operation with universities and research institutions in Estonia (U.Tartu, NICPB)

Basic cell

materials

R&D

Specific cell materials and

structures R&D

Gen II laboratory

prototype

Product development Company registration

Commercial

prototype

International R&D networking Finland

USA

The Netherlands

Germany

Slovenia

Small

series cell

production

setup

Continuous cell materials and structures R&D

Cell production

proof of concept:

Capacity 4000pcs/yr

Stack design

Advanced stack modeling and simulation

Stack structure suitable

for serial production

Small pressure losses

and temperature differences

New gasket concept

Optimized for 650ºC

operating temperature

Erinevate energiaallikate Ragone graafikud

1 – 10 F 3.2 V

Development of non-aqueous supercapacitor prototypes

CR2032

coin cell

type

3000 F 2.7 V

Estored = 3.04 Wh

2000 F 3.2 V

Estored = 2.85 Wh

4000 F 3.2 V

Estored = 5.69 Wh

100 – 300 F 3.2 V

„Coffee-bag“

type

Cylindrical Commercial

Maxwell

BCAP3000

10 cm

Zhenguo Yang et al., Electrochemical Energy Storage for Green Grid, Chem. Rev., 2011, 111 (5), pp 3577–3613

R. Tripathi, G. R. Gardiner, M. S. Islam, L. F. Nazar, Chem. Mater., 2011, 23 (8), pp 2278–2284

Škoda / Proton Motors

Hübriidbuss (Proton Power Systems), võimsus 120 kW Energiaallikaks on kütuseelment (PEM, 50 kW), patarei (50 kW) ja

superkondensaator (50 kW) 60 km/h, 250 km ühe tankimisega (6,5 kg H2 / 350 bar, tankimise

aeg 10 min

Võimalikud tehnoloogiad energia (elektri) salvestamiseks.

Joonis 1.4 Elementide suhteline sisaldus maakoores ja sõltuvus aatomi järjenumbrist. Kõige haruldasemad elemendid (kollane ala) ei ole ilmtingimata kõige raskemad vaid on laamade liikumise tõttu liikunud sügavamale maapõue. Seleenium ja telluur on maa koorest lenduvate hüdriididena kadunud.

Tänan rahastajaid: • Euroopa Regionaalarengu Fond – tippkeskus TK 141

„Uudsed materjalid ja kõrgtehnoloogilised seadmed energia salvestamise ja muundamise süsteemidele“

• Institutsionaalne uurimistoetus IUT20-13 „Funktsionaalsed mikro/mesopoorsed materjalid kõrgefektiivsete energia muundamise ja salvestamise süsteemides“

Tänan tähelepanu eest !

Teretulemast Chemicumi !

Avamine

23.10.2009