Laboratorij za termoenergetiko. Vodikove tehnologije

Transcript

1 Laboratorij za termoenergetiko Vodikove tehnologije

2 Pokrivanje svetovnih potreb po energiji premog 27% plin 22% biomasa 10% voda 2% sonce 0,4% veter 0,3% nafta 32% jedrska 6% geoterm. 0,2% biogoriva 0,2% fotovolt. 0,04% Kljub naprednim načinom pridobivanja energentov so zaloge omejene. Potencialna rešitev so obnovljivi viri energije OVE Tehnologija gorivnih celic 2

3 poraba in proizvodnja električne energije Razpoložljivost in poraba električne energije 1. Veljati mora energijska bilanca porabimo lahko toliko energije, kot jo proizvedemo 2. Veljati mora sočasnost električno energijo je treba proizvesti takrat, ko jo potrebujemo shranjevanje še vedno nerešljiv izziv primanjkljaj energije presežek energije sonce veter poraba čas / h Rešitev: shranjevanje energije vodik Tehnologija gorivnih celic 3

4 Pretvorba energije iz goriv v elektriko Krožni procesi: primarni vir dimni plini para mehanska energija električna energija zgorevanje prenosniki toplote turbina generator Neposredna pretvorba: primarni vir? električna energija Sončni moduli Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

5 Delovanje fotonapetostnih sistemov Material na katerem temelji tehnologija: Silicij Sončne celice so v osnovi polprevodniške diode z veliko površino. Do pretvorbe energije svetlobe v električno energijo (tok) prihaja zaradi fotovoltaičnega pojava. Pri vpadu fotonov na kristalno mrežo polprevodnika fotoni oddajo svojo energijo kristalni mreži in če je energija dovolj velika, ta pojav povzroča nastajanje prostih valenčnih elektronov. Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

6 Tipi fotonapetostnih modulov Fotonapetostni modul je osnovni še zamenljiv element fotonapetostnega sistema. Sestavljen je iz večjega števila med seboj povezanih sončnih celic. Glede na tehnologijo sončnih celic ločimo: monokristalne, polikristalne in amorfne module. Monokristalne sončne celice levo (foto: Denis Lenardič), Polikristalne sončne celice na sredini (vir/copyright Solar-fabrik), Amorfne sončne celice desno (vir/copyright Solar-fabrik) Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

7 Karakteristika tok napetost, krivulja moči in izkoristek modula Karakteristika tok napetost: informacija o delovanju fotovoltaičnega modula; Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

8 Karakteristika tok napetost, krivulja moči in izkoristek modula MPP (maximum power point): določimo iz I U krivulje ali krivulje moči; Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

9 Karakteristika tok napetost, krivulja moči in izkoristek modula Izkoristek fotonapetostnega modula: Razmerje med proizvedeno električno in vpadno sončno energijo; η električna = Električna moč: P el. P vpadla P el. = U I Približna vrednost vpadne sevalne moči na enoto površine Vpadla moč svetlobnega vira: P vpadla = F I kr. A I kr. kratkostični tok (največji fotoelektrični tok) je sorazmeren fotonom (sevanju), ki zadane modul P MAX I Kmax = F faktor Pmax = 1000 W/m2 IKmax2 = 600 ma Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

10 Vodik Lastnosti pri normalnih pogojih: dvo-atomen plin (H 2 ) brez barve brez vonja nestrupen tališče: -259 C vrelišče: -252,8 C zgornja kurilnost: kj/m 3 spodnja kurilnost: kj/m 3 izotopi: 1 H vodik, 2 H devterij, 3 H tritij Shranjevanje: Tehnologija gorivnih celic 10

11 Gorivne celice Tehnologija gorivnih celic 11

12 Pretvorba energije iz goriv v elektriko Krožni procesi: gorivo dimni plini para mehanska energija električna energija zgorevanje prenosniki toplote turbina generator Neposredna pretvorba: gorivo? električna energija Gorivne celice Tehnologija gorivnih celic 12

13 Prednosti in slabosti gorivnih celic PREDNOSTI + boljši izkoristek kot pri krožnih procesih + ni škodljivih emisij + ni gibljivih delov + nizka stopnja hrupa SLABOSTI tehnologija izdelave problemi pri delovanju občutljivost in iztrošenje katalizatorjev dragi materiali Tehnologija gorivnih celic 13

14 Delovanje PEM gorivnih celic Tehnologija gorivnih celic 14

15 Gorivna celica Reakcije: anoda (oksidacija): H 2 2H + + 2e katoda (redukcija): ½O 2 + 2H + + 2e H 2 O E 0 = 0,00 V E 0 = 1,23 V energijski izkoristek: e, g W W elekticna vodik U I t V H H2 S,H2 Tehnologija gorivnih celic 15

16 Termodinamika PEM gorivnih celic Gibsova prosta energija G H T S W elec G f reverzibilna napetost in maksimalni izkoristek gorivne celice 0 G H 0,83 Tehnologija gorivnih celic 16 E 0 Gf z F f f 1,23 V 0 standardni pogoji (p = 1 atm, T = 298 K) H f = -286 kj/mol G f = -237 kj/mol F = As/mol

17 Pridobivanje vodika z elektrolizo (PEM) Tehnologija gorivnih celic 17

18 Elektrolitski reaktor Elektroliza: anoda (oksidacija): 2H 2 O(l) O 2 (g) + 4H + + 4e E 0 = 1,23 V katoda (redukcija): 2H + (aq) + 2e H 2 (g) E 0 = 0,00 V Faradayev prvi zakon elektrolize: n reak, teo I t z F m V reak, teo reak, teo I t M z F R T I t p z F energijski izkoristek: η e, r W W H2 el VH2HS U I t,h2 Tehnologija gorivnih celic 18

19 Termodinamika PEM elektrolize Gibsova prosta energija G H T S W elec G f reverzibilna napetost in termonevtralna napetost elektrolize 1,23 V 0 standardni pogoji (p = 1 atm, T = 298 K) Tehnologija gorivnih celic 19 E 0 Gf z F E t = H f z F = 1,48 V H f = -286 kj/mol G f = -237 kj/mol F = As/mol