Laboratorij za termoenergetiko. Vodikove tehnologije in PEM gorivne celice

Transcript

1 Laboratorij za termoenergetiko Vodikove tehnologije in PEM gorivne celice

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 2

3 poraba in proizvodnja električne energije Prihodnja energijska oskrba Prihodnja energijska oskrba Trajnostna RVE OVE 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 Poraba <> Proizvodnja Shranjevanje energije primanjkljaj energije presežek energije sonce veter poraba čas / h 3

4 Tehnologije shranjevanja električne energije Shranjevanje energije Mehansko Kemično Elektrokemično Električno Toplotno ČHE H 2 tehnologije Kondenzatorji Latentno Masni vztrajniki Baterije Magnetne tuljave Senzibilno Komprimiran zrak 4

5 Vodikove tehnologije H2 tehnologije Pridobivanje Shranjevanje Elektrokemična pretvorba (GC) Elektroliza Tlačne posode PEMGC Reforming Tekoči vodik SOFC... Metal hidridi AFC a) Tehnologije za pridobivanje vodika b) Tehnologije hranjenja in transporta vodika c) Tehnologije direktne elektrokemične pretvorbe vodika v EE 5

6 Vodikove tehnologije - Pridobivanje Parni Reforming (CxHy): H2 tehnologije Reaktor: 1. reakcija: C n H m + nh 2 O + nco + (n/2+n)h 2 2. reakcija: CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Pridobivanje Elektroliza Reforming... 6

7 Vodikove tehnologije Shranjevanje in lastnosti H 2 Lastnosti pri normalnih pogojih: H2 tehnologije 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 najbolj razširjen element v vesolju 3x večja kurilnost kot dizelsko gorivo Shranjevanje Tlačne posode Tekoči vodik Shranjevanje: Metal hidridi... 7

8 Gorivne celice PEMGC H2 tehnologije Elektrokemična pretvorba (GC) SOFC AFC... 8

9 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 9

10 Prednosti in slabosti gorivnih celic PREDNOSTI + boljši energijski izkoristek kot pri krožnih procesih + brez škodljivih emisij pri obratovanju (vodik) + ni gibljivih delov + nizka stopnja hrupa SLABOSTI tehnologija izdelave problemi pri delovanju občutljivost in iztrošenje katalizatorjev dragi in redki materiali življenjska doba obratovanja pridobivanje goriva (vodik) 10

11 Pridobivanje vodika z elektrolizo (PEM) 11

12 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 VH2 HS U I t,h2 12

13 Delovanje PEM gorivnih celic 13

14 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 14

15 Sklad gorivnih celic 15

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

17 Uporaba gorivnih celic 17

18 Razvoj prototipnega sistema 18

19 U (V) η (/) Naloga Gorivna celica s protonsko izmenjevalno membrano (PEMGC), deluje v obratovalni točki pri 0,9 A/cm2 in 0,6 V, velikost aktivne površina PEMGC pa je 100 cm 2. a) Izračunaj potreben molski, masni in volumski tok vodika ter zraka, če je njuna temperatura 15 C pri tlaku 1 bar. Uporabljen je presežek vodika λ H2 = 1,25 ter presežek zraka λ zrak = 2. Za vlažen zrak približno velja, da je molski delež kisika x O2 = 0,207, njegova molska masa pa M zrak = 28,86 g/mol. b) Izračunaj moč in izkoristek v obratovalni točki. Gore Primea 56 1, ,9 2,5 0,8 0,7 2 0,6 Series1 1,5 0,5 Series3 0,4 1 Series2 0,3 0,2 0,5 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 j (A cm -2 ) 19

20 Naloga a) Pretoki zraka in vodika b) Električna moč in izkoristek n reak,teo = z H2 = 2 z O2 = 4 I z F = j A z F F = As/mol n reak,real = λ reak n reak,teo P SKLAD = I U SKLAD η SKLAD = P SKLAD Q in = 2 F U GC λ H2 H H2,s H H2,s = 286 kj/mol m reak,real = M reak n reak,real V reak,real = n reak,real R T p 20