ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κυψέλες καυσίμου με απευθείας τροφοδοσία φυσικού αερίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας: Τεχνολογία & Προοπτικές Γ. Ανδρεάδης και Π. Τσιακάρας «Ανανεώσιμες πηγές Ενέργειας - Η θέση τους στο νέο ενεργειακό τοπίο της χώρας και στην περιοχή της Θεσσαλίας» 29, 30 Νοεμβρίου & 1 η Δεκεμβρίου 2007, IMPΕRIAL Λάρισα
ΔΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ Εισαγωγή Φυσικό Αέριο Καύση Κυψέλες Καυσίμου Αρχή Λειτουργίας με καύσιμο το μεθάνιο Σύγκριση αποδόσεων συστημάτων μετατροπής ενέργειας Καύσιμα τροφοδοσίας Κυψελών Καυσίμου. Κυψέλες Καυσίμου και Φυσικό Αέριο Εφαρμογές Ανατομία της Κυψέλης Καυσίμου SOFC Μελέτη της Λειτουργίας των Κυψελών Καυσίμου Πειραματικά αποτελέσματα χρήσης φυσικού αερίου σε κυψέλες καυσίμου Εφαρμογές σε επίπεδο βιομηχανίας Συμπεράσματα & Προτάσεις για μελλοντική έρευνα
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Περιβαλλοντική ρύπανση Greenhouse effect Ρύποι κλιματολογικές μεταβολές (θερμοκρασιακή αύξηση) διατάραξη ισορροπίας Ορυκτά καύσιμα (γαιάνθρακες πετρέλαιο κλπ) Στροφή προς : Ανανεώσιμες (βιοκαύσιμα κλπ) & εναλλακτικές μορφές ενέργειας Ανάπτυξη & προώθηση εναλλακτικών καινοτόμων τεχνολογιών παραγωγής ισχύος Κυψέλες καυσίμου: Ηλεκτροχημικές διατάξεις μετατροπής της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε ηλεκτρική
ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Το φυσικό αέριο είναι μίγμα υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο, ενώ σε μικρά ποσοστά περιέχονται και βαρύτεροι υδρογονάνθρακες. Καύση του μεθανίου παρουσία φλόγας
ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ FUEL CELLS Οι Κυψέλες Καυσίμου (fuel cells) είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις απευθείας μετατροπής της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα χωρίς την παρουσία θαλάμου καύσης.
ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ vs ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Θερμική Μηχανή (Μ.Ε.Κ.) Θάλαμος Καύσης Θερμότητα Μηχανική Ενέργεια Ηλεκτρική Ενέργεια Φυσικό Αέριο Κυψέλες Καυσίμου (Fuel Cells) Ηλεκτρική Ενέργεια
ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΠΟΔΟΣΕΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Συμβατικά συστήματα Θερμικές μηχανές: (Μηχανές εσωτερικής καύσης) Μη Συμβατικά συστήματα Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτριες Κυψέλες Καυσίμου (Fuel Cells) * στοιχεία 2004, πηγή U.S. D.O.E.
ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Τύπος PAFC AFC PEMFC MCFC SOFC Ηλεκτρολύτης Μεταφερόμενα Ιόντα Θερμοκρασία Λειτουργίας 100% 35-45% H 3 PO 4 KOH Nafion membranes 62% LiCO 3 38% K 2 CO 3 Yttria Stabilized ZrO 2 H + OH - H + CO 3 2- O 2-190-200 o C 80-90 o C 25-90 -150 o C 650 o C 600-1000 o C Καύσιμο H 2 Η 2 Η 2 / αλκοόλες Η 2, CO, CH 4 Η 2, CO, CH 4,αλκοόλες Απόδοση 40% 35-55% 35-45% >50% >50%
Τεχνολογικό ενδιαφέρον για τις Κυψέλες Καυσίμου & την τεχνολογία Η 2 * * στοιχεία 2004, πηγή: www.fuelcellstoday.com
ΚΑΥΣΙΜΑ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΤΙΣ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Η 2 : Η βέλτιστη επιλογή καυσίμου για τις κυψέλες καυσίμου, καθώς επιτυγχάνονται υψηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τα υπόλοιπα καύσιμα με μηδαμινές εκπομπές ρύπων. Παρόλα αυτά δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση και η ασφαλής αποθήκευσή του παρουσιάζει αρκετές ακόμη δυσκολίες. Αλκοόλες: Έχουν συγκεντρώσει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για χρήση τους στις ηλεκτροχημικές διατάξεις αυτές (κυρίως αυτές των χαμηλών θερμοκρασιών). Ενδιαφέρον παρουσιάζει κυρίως η χρήση της αιθανόλης, η οποία είναι βιοκαύσιμο άρα υπόκειται στον κύκλο του άνθρακα και αποτελεί υψηλά υποσχόμενη επιλογή ως καύσιμο. Φυσικό αέριο: Είναι διαθέσιμο λόγω των μεγάλων ποσοτήτων που φθάνουν στη χώρα μας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε: α) άμεσα σε κυψέλες καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών (SOFC, MCFC), β) έμμεσα - σε όλους τους τύπους κυψελών καυσίμου - εφόσον υποστεί αναμόρφωση προς Η 2.
ΧΡΗΣΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ & ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Απευθείας χρήση του φυσικού αερίου σε κυψέλες καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας (Κυρίως σε Κυψέλες Καυσίμου Στερεού Οξειδίου -SOFCs) Αναμόρφωση του καυσίμου για την εξαγωγή του Η 2 Κυψέλες Καυσίμου Γενική αντίδραση αναμόρφωσης υδρογονανθράκων y C H O +(2x-z)H O xco + +2x-z H 2 x y z 2 2 2 κινητές εφαρμογές ακίνητες εφαρμογές φορητές εφαρμογές
ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΟΞΕΙΔΙΟΥ (SOFCs) ΑΝΑΤΟΜΙΑ & ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ
A) Ηλεκτρολύτες για SOFCs Χαρακτηριστικά υψηλή ιοντική αγωγιμότητα χαμηλή ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα χημική σταθερότητα τόσο σε οξειδωτικό, όσο και σε αναγωγικό περιβάλλον Υλικά Ζιρκονία σταθεροποιημένη με ύττρια Δημήτρια με διάφορες προσμίξεις.
B) Άνοδοι (καταλύτες) για SOFCs Χαρακτηριστικά υψηλή ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα χημική σταθερότητα επαρκές πορώδες για την ελεύθερη μετακίνηση του καυσίμου και των προϊόντων προς και από την άνοδο αντίστοιχα συμβατότητα θερμικής διαστολής Υλικά Nικέλιο: ικανοποιητική καταλυτική ενεργότητα για την οξείδωση του υδρογόνου και καλή ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα. Προσμίξεις της δημήτριας (CeO 2 ) Δημήτρια με διεσπαρμένα σωματίδια πλατίνας (Pt) & ρουθηνίου (Ru).
Γ) Κάθοδοι (καταλύτες) για SOFCs Δομή περοβσκίτη: ΑΒΟ 3. Το Α είναι ένα μεγάλο κατιόν σπάνιας γαίας και το Β ένα μικρότερο, συνήθως μετάλλου μετάπτωσης. Το ενδιαφέρον με αυτή τη δομή είναι ακριβώς ότι υπάρχουν δυο κατιόντα που μπορούν να αντικατασταθούν, οδηγώντας έτσι σε πολύ μεγαλύτερο αριθμό πιθανών αγωγών ιόντων οξυγόνου. υψηλή ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα χημική σταθερότητα συμβατότητα θερμικής διαστολής επαρκές πορώδες Η μείωση της ενεργότητας της καθόδου ως προς την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου με τη μείωση της θερμοκρασίας αποτελεί ένα από τα βασικότερα εμπόδια.
ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΟΞΕΙΔΙΟΥ (SOFCs) Πλεονεκτήματα Υψηλές αποδόσεις (~50%) Μηδαμινές εκπομπές ρύπων με χρήση του υδρογόνου Ευελιξία στην επιλογή του καυσίμου (Η 2, υδρογονάνθρακες, αλκοόλες) Απουσία κινητών μερών Αθόρυβη λειτουργία Πλήθος εφαρμογών
ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΕΡΕΟΥ ΟΞΕΙΔΙΟΥ (SOFCs) Μειονεκτήματα Υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας Αλληλεπίδραση συστατικών Πυροσυσσωμάτωση (sintering) ηλεκτροδίων Υψηλό κόστος Κεραμική διασύνδεση: 130 $ kw -1 Διασύνδεση από χάλυβα: 6.67 $ kw -1 ΣΤΟΧΟΣ: Μείωση θερμοκρασίας λειτουργίας Φθηνότερα χρησιμοποιούμενα υλικά Παρεμπόδιση της αλληλεπίδρασης των συστατικών του συστήματος Δυνατότητα ταχείας εκκίνησης και παύσης της λειτουργίας της συσκευής Βελτίωση της σταθερότητας και αξιοπιστίας του συστήματος με την πάροδο του χρόνου
ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΝ - ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ V - I
Πειραματικά αποτελέσματα λειτουργίας κυψέλης καυσίμου με τροφοδοσία μεθανίου & φυσικού αερίου Βιβλιογραφική ανασκόπηση χρήσης του φυσικού αερίου & του καθαρού μεθανίου σε κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. καμπύλη V - I καμπύλη P - I
ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ * Καύσιμο: Φυσικό Αέριο Max power density @ 800 o C 0.93 (W/cm -2 ) * J. Liu and S. Barnett, SSI, 158 (2003) pp. 11-16
ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ * Καύσιμο: Μεθάνιο Max power density @ 800 o C 0.96 (W/cm -2 ) * J. Liu and S. Barnett, SSI, 158 (2003) pp. 11-16
ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ * Καύσιμο: Μεθάνιο Άνοδος: Ni YSZ Ηλεκτρολύτης: YSZ Κάθοδος: LSΜ * A. Weber, B. Sauer, A. Muller, D. Herbstritt, E. Tiffee, SSI, 152 (2002), pp. 543-550.
ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ * Καύσιμο: H 2 Άνοδος: Ni YSZ Ηλεκτρολύτης: YSZ Κάθοδος: LSΜ -YSZ Max power density @ 800 o C 1.8 (W/cm -2 ) * K.W. Kim, A. V. Virkar, K.Z. Fung, K. Mehta and S.C. Singhal, J. Electrochem. Soc., 146 (1999) pp. 69
ΚΥΡΙΕΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΕΣ ΤΩΝ SOFCs Επίπεδη (planar SOFC) o Επιτυγχάνονται υψηλότερες αποδόσεις Κυλινδρική (tubular SOFC) o Εμφανίζει τη μεγαλύτερη εξέλιξη o Ευκολία στο διαχωρισμό καυσίμου αέρα o Αντοχή σε θερμική καταπόνηση o Κατάλληλο για ακίνητες εφαρμογές
ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ SOFCs Οι Συστοιχίες Κυψελών Καυσίμου χρησιμοποιούνται για να επιτευχθούν υψηλότερες αποδόσεις. Αποτελούνται από μια σειρά κυψελών καυσίμου κατάλληλα προσαρμοσμένων, έτσι ώστε να αυξηθεί η συνολική επιφάνεια πάνω στην οποία πραγματοποιείται η ηλεκτροξείδωση του καυσίμου Κυλινδρική γεωμετρία Επίπεδη γεωμετρία
ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΕΣ ΠΟΥ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΠΟΥΝΤΑΙ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ * * στοιχεία 2003, πηγή U.S. D.O.E.
ΠΥΛΟΤΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΚΥΨΕΛΩΝΚΑΥΣΙΜΟΥΚΑΙΦΥΣΙΚΟΥΑΕΡΙΟΥ
ΕΜΠΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΤΥΠΟΥ SOFC & ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το φυσικό αέριο υπάρχει σε αφθονία, ενώ έχουν ήδη δαπανηθεί αρκετά χρήματα για την αποδοτικότερη και ασφαλέστερη μεταφορά του από τα σημεία παραγωγής στα σημεία ζήτησης. Με λίγα λόγια υπάρχει υποδομή τόσο για τη μεταφορά όσο και τη διανομή του παγκοσμίως. Αποτελεί υψηλά υποσχόμενη επιλογή ως καύσιμο για τη χρήση σε κυψέλες καυσίμου. Μπορεί να τροφοδοτηθεί απευθείας σε κυψέλες καυσίμου υψηλών θερμοκρασιών ή να αναμορφωθεί για την εξαγωγή H 2 το οποίο στη συνέχεια μπορεί να τροφοδοτηθεί σε όλους τους τύπους των κυψελών καυσίμου. Σύμφωνα με τη διεθνή βιβλιογραφία μέχρι σήμερα έχουν επιτευχθεί αρκετά υψηλές αποδόσεις ισχύος με κυψέλες καυσίμου και τροφοδοσία φυσικού αερίου. Ενδεικτικά στους 800 ο C έχει καταγραφεί απόδοση ισχύος περίπου 0.95 Watt cm -2. H τιμή κρίνεται ικανοποιητική, σε σχέση με την αντίστοιχη τιμή πυκνότητας ισχύος που έχει καταγραφεί με καύσιμο τροφοδοσίας το υδρογόνο (1.8 Watt/cm -2 ).
ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΕΡΕΥΝΑ Μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας οδηγώντας στη μείωση του κόστους των χρησιμοποιούμενων υλικών. Ενδεικτικά η τιμή της παραγόμενης ισχύος από μια συστοιχία κυψελών καυσίμου SOFCs με χρήση Η 2, ανέρχεται σήμερα περίπου στα 3000 / kwatt *. Παρόλα αυτά το κόστος της παραγόμενης ισχύος αναμένεται να μειωθεί έως και δύο τάξεις μεγέθους όταν τα συστήματα αυτά μπουν σε μαζική παραγωγή. Μελέτη για την εύρεση νέων καταλυτών (υλικών) για την αποτελεσματικότερη οξείδωση του καυσίμου σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας. Επιπλέον εύρεση νέων υλικών ως ηλεκτρολυτών με υψηλότερη ιοντική αγωγιμότητα ώστε να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο η απόδοση της κυψέλης. * πηγή: www.fuelcellstoday.com
ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΕΡΕΥΝΑ Βελτιστοποίηση της γεωμετρίας της κυψέλης καυσίμου για τον περιορισμό των αναντιστρεπτοτήτων που οδηγούν κυρίως σε υψηλές υπερτάσεις συγκέντρωσης.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ geandrea@uth.gr