Energetyka wodorowa Piotr Tomczyk Wydział Energetyki i Paliw

Transkrypt

1 Energetyka wodorowa Piotr Tomczyk Wydział Energetyki i Paliw TAURON Polska Energia 5. grudnia, 2009

2 ZuŜycie energii elektrycznej i struktura paliw dla elektroenergetyki w ujęciu globalnym w prognozie IEA (scenariusz referencyjny) lata ZuŜycie finalne energii elektrycznej Mtoe Struktura zuŝycia % Węgiel Olej opałowy Gaz Energia jądrowa Energia wodna Inna odnawialna

3 Konieczność zaspokojenia wzrostu popytu na energię elektryczną na świecie w kraju

4 Struktura procentowa energii pierwotnej w stuletniej prognozie IIASA/WEC scenariusz ekologiczny C1

5 Skutki efektu cieplarnianego Wzrost średnich temperatur (globalne ocieplenie, lokalne ochłodzenie), odzenie), Topnienie lodowców, w, Podnoszenie się poziomu wód w w morzach i oceanach, Ekstremalne zjawiska pogodowe.

6 Dlaczego wodór?

7 Wodór jest paliwem przyjaznym dla środowiska H 2 + 1/2O 2 H 2 O 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

8 Zamknięty obieg wodoru Przesył i magazynowanie H 2 H 2 Energia odnawialna Środowisko O 2 Rozkład wody Spalanie Czysta energia H 2 O

9 Realizacja obiegu wodorowego w praktyce ZagroŜenie: Sprawność obiegu wodorowego powinna być zdecydowanie wyŝsza niŝ 4-12%!

10 Gospodarka wodorowa

11 Wodór jest nośnikiem energii podobnie jak elektryczność, która jest obecnie podstawowym nośnikiem energii w systemach energetycznych Energetyka wodorowa jako symbiozą wykorzystania dwóch nośników energii: wodoru i elektryczności W wielu obszarach energetyki elektryczność moŝe być konkurencyjna do wodoru (magazynowanie energii, produkcja z surowców energetycznych)

12 Energetyka wodorowa jako sieć powiązań pomiędzy produkcją, transportem i magazynowaniem oraz wykorzystaniem wodoru jako wtórnego nośnika energii Wodór, H 2 Produkcja Transport i magazynowanie Wykorzystanie

13 Czy wodór jest bezpieczny?

14

15 Katastrofa Hindenburga, Lakehurst, N.Y. 6. maja, 1937 r.

16 Katastrofa Hindenburga, Lakehurst, N.Y. 6. maja, 1937 r. spłonęło m 3 wodoru zginęło 37 osób 2/3 pasaŝerów przeŝyło poŝar rozpoczął się od łatwopalnej powłoki sterowca większość ludzi zginęła na skutek poparzenia paliwem płynnym

17 Katastrofa Columbii 16. stycznia, 2003

18 A moŝe jednak mniej niebezpieczny niŝ się wydaje?

19 Doświadczenie przeprowadzone przez College of Engineering w Miami University Czas: 0 min., 0 sek.

20 Czas: 0 min., 3 sek.

21 Czas: 1 min., 0 sek.

22 Czas: 1 min., 30 sek.

23 Rozwój gospodarki wodorowej wymaga akceptacji społecznej

24 Skąd wodór?

25 Tradycyjne sposoby produkcji wodoru zgazowanie paliw stałych zgazowanie paliw ciekłych konwersja lub rozdział paliw gazowych elektroliza wody

26 Produkcja wodoru dzisiaj:50 Mt Elektroliza 3.9% Węgiel 18% Inne 0.1% Paliwa ciekłe 30% Gaz ziemny 48%

27 W Polsce: zgazowania węgla! Lp Reakcja Entalpia H 0 r, 273 [kj/mol] 1 C + O 2 CO 2-406,430 2 C + CO 2 2CO + 160,896 3 C + H 2 O CO + H ,577 4 CO + H 2 O CO 2 + H 2-42,361 5 CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O - 206,064 6 C + 2 H 2 CH 4-83,800

28 Zgazowanie węgla nie jest technologia nową!

29 Rodzaje reaktorów do zgazowania

30 Wybrane parametry technologii zgazowania węgla Rodzaj generatora Stałe złoŝe ZłoŜe fluidalne Strumieniowy Technologia Lurgi/BG HTW KRW TEXACO SHELL Czynnik zgazowujący O 2 +H 2 O pow. + H 2 O pow. + H 2 O O 2 +H 2 O O 2 +H 2 O Temperatura strefy reakcji ( C) do do 2000 Ciśnienie (MPa) Stopień konwersji węgla (%) > Sprawność energ. konwersji (%)

31 IGCC zintegrowany proces zgazowania węgla w siłowniach cieplnych

32 Podziemne zgazowanie węgla (stary projekt) 1. Studnia 2. System wodociągowy 3. System tlenowy 4. Mieszanie tlenu z wodą 5. Odwierty głębinowe 6. Obszar reakcji 7. Wydobycie gazu 8. Oczyszczalnia gazu 9. CO Gazociąg

33 Rysunek ideowy podziemnego zgazowania węgla

34 Skład gazu uzyskiwany w wyniku zgazowania powietrznego i tlenowego Zgazowanie powietrzne MJ/m3 Zgazowanie tlenowe MJ/m3 40 Koncentracja obj. [%] CO CO2 H2 CH4 H2O N2

35 PoŜądane: tlenowe zgazowanie węgla wysokie stęŝenie wodoru wysokie stęŝenie CO, który moŝe być łatwo przetworzony na wodór łatwiejsze oddzielenie CO 2

36 Efektywne i ekologiczne wykorzystanie węgla w sektorze energetycznym zastosowanie systemów sprzęŝonych turbin gazowoparowych (efektywność konwersji) konieczność zgazowania węgla (systemy IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle) w przyszłości wykorzystanie produktu zgazowania wodoru w ogniwach paliwowych wodorowotlenowych (energetyka rozproszona) konieczność separacji i magazynowania CO 2 (ekologia) węgiel jako surowiec zapewniający bezpieczeństwo energetyczne kraju

37 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)

38 Technologia przyszłościowa: termiczny rozkład wody Bezpośredni: 2H 2 O 2H 2 + O 2 temperatura procesu: ok C (bardzo trudny do realizacji) Cykliczne procesy termochemiczne: temperatura procesu: C, sprawność do 50%, około 200 typów procesów proponowanych, próby laboratoryjne: ok.20. Hybrydowe procesy cykliczne (jeden etap nie jest procesem chemicznym, np. elektroliza)

39 ŚcieŜki reakcji dla cyklicznego procesu termochemicznego typu siarka-jod

40 Reaktor wysokotemperaturowy z pętla helową

41 Minimalne straty energetyczne ponoszone przy produkcji wodoru z udziałem róŝnych surowców energetycznych/nośników energii Gaz ziemny (CH 4 ) LPG (CH 2.6 ) Nafta CięŜkie frakcje naftowe Węgiel Woda Minimalne straty energii kj/kmol H 2 Minimalny % strat 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)

42 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)

43 Magazynowanie i przesył wodoru

44 Charakterystyka zbiorników wodoru wykorzystujących róŝne zjawiska do magazynowania H 2 Zjawisko wykorzystane do magazynowania wodoru Masa H 2 magazynowana w 1 m 3 urządzenia / kg m -3 Procentowy udział masy wodoru w masie urządzenia / % Ciśnienie wodoru/ bar Temperatura magazynowania / K SpręŜony wodór (zbiorniki kompozytowe) max Ciekły wodór Wodorki metali max Adsorpcja Wodorki kompleksowe Wodorki alkaliczne (nieodwracalne) >

45 Wymagania dla zbiorników wodoru w samochodach ZagroŜenie: Metanol, eter dwumetylowy jako paliwa łatwe do efektywnego magazynowania Udoskonalenie technik magazynowania energii elektrycznej

46 Wysoka sprawność konwersji energii chemicznej wodoru w ogniwach paliwowych jako bodziec rozwoju gospodarki wodorowej

47 Efektywność wytwarzania energii elektrycznej w róŝnych rodzajach generatorów prądotwórczych

48 Ogniwa paliwowe

49 Ogniwa galwaniczne Ogniwa pierwotne Akumulatory Klasyczne Ogniwa przepływowe Ogniwa paliwowe Recykling! Rozładowanie Trzeba naładować Nie rozładowuje się gdy paliwo i utleniacz dostarczane są do OP

50 Ogniwo galwaniczne bezpośrednia konwersja (przemiana) energii chemicznej paliwa na energię elektryczną utlenianie i redukcja zachodzą w róŝnych miejscach urządzenia - na elektrodach (w reaktorach chemicznych paliwo i utleniacz reagują w całej objętości reaktora) elektrolit: rozdziela fizycznie procesy, zapewnia pośredni kontakt elektryczny między elektrodami za pośrednictwem jonów

51 Silniki spalania wewnętrznego Ogniwa paliwowe Paliwo Utleniacz Paliwo Utleniacz ε = ε = Praca mechaniczna Ciepło Ciepło Elektryczność

52 Bio-elektrochemiczne ogniwo paliwowe Węgorz elektryczny: ok. 500 V, ok. 1 A

53 Paliwa dla ogniw paliwowych GAZOWE CIEKŁE STAŁE Wodór Reforming gazu ziemnego, ropy naftowej, biogazu Zgazowanie węgla Zgazowanie biomasy Elektroliza wody i rozkład termiczny wody Metody biochemiczne Amoniak Metanol Kwas mrówkowy Wodny roztwór glukozy Węgiel

54 Elektroliza wody a ogniwa paliwowe Elektroliza wody Woda + En. elektryczna Wodór + Tlen - + Ogniwo paliwowe Wodór + Tlen (pow.) Woda + En. elektryczna H 2 O Elektrolit H 2 O 2

55 Elektrolity (brak przewodnictwa elektronowego, wyłącznie przewodnictwo jonowe): ciekłe stałe wodne (wodne roztwory elektrolitów) niewodne (ciecze jonowe, np. sole stopione) polimerowe (np.nafion, Aciplex, Flemion) ceramiczne (np.zro 2 stabilizowane Y 2 O 3 )

56 Dysocjacja jonowa

57 Elektrody: materiał o przewodnictwie elektronowym (mieszanym elektronowo-jonowym) porowate z materiału przyspieszającego reakcje elektrodową (elektrokatalizatora)

58 Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenków Elektrolit: ZrO 2 dotowany Y 2 O 3 (lub CaO). Temperatura pracy: C (wysokotemperaturowe) Global Thermoelectric (ostatnio zakupiony przez FCE) 1.35 kw

59 Jak działa ogniwo paliwowe?

60 Budowa ogniwa paliwowego płaskiego Przepływ prądu Przepływ utleniacza Dwustronna płytka separatora Anoda Elektrolit matrycowy Katoda Dwustronna płytka separatora Anoda Przepływ paliwa

61 Ogniwo paliwowe o geometrii cylindrycznej Interkonektor Ogniwo firmy Siemens-Westinghouse Powietrzna katoda Elektrolit Przepływ paliwa anoda µm elektrolit 40 µm katoda nośna średnica 2,2 cm długość 150 cm Przepływ powietrza Elektroda paliwowa

62 Schemat połączenia ogniw rurowych w wiązki Oznaczenia: Nickel connector łącznik (interkonektor) niklowy

63 Podstawą kwalifikacji ogniw paliwowych jest: rodzaj elektrolitu temperatura pracy 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; Intermediate Temperature SOFC = ITSOFC) 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)

64 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

65 Pierwsze zastosowania

66 Misja Gemini

67 Misja Apollo

68 Generatory stacjonarne z ogniwami paliwowymi Wczesne zastosowania ogniw paliwowych Lata Generatory stacjonarne PAFC Tanie materiały węglowe jako podstawowe materiały stosowane w ogniwach paliwowych z kwasem fosforowym (PAFC) MW (UTC, South Windsor, USA) MW (TEPCO, Goi, Japonia) MW (TEPCO, Goi, Japonia)

69 Pierwszy komercyjny stacjonarny generator energii z OP- PC 25, cena: ok USD paliwo: metan P: 200 kw h el.: 40 % ; h c : 60 % (40%) t: h w tym t c : h poziom hałasu: ok. 60 db producent: ONSI (Toshiba) emisja NO x < 10 ppm

70 Rozmieszczenie urządzeń w module PC25 i zmiany gabarytów modeli Falownik Konwertor paliwa Stos O.P.

71 Wymagania instalacyjne PC25

72 Przykład zastosowania (nie do końca udany) 2 x PC 25 moc elektryczna 200 kw moc cieplna 220 kw zuŝycie gazu ziemnego,max 54 Nm 3 /h wydajność elektryczna 40 % wydajność całkowita 80 %

73 Rozmieszczenie generatorów PC 25 testowanych przez Ministerstwo Obrony Stanów Zjednoczonych

74 Zespół generatorów PC 25 o mocy 1 MW w Anchorage (Alaska) zasilający miejscowy urząd pocztowy

75 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 = 11 Zasilanie szpitali = 7 Obiekty sportowe, baseny = 3 Koszary, pralnie, stołówki, urzędy, biura = reszta

76 Wyniki testu Liczba godzin przepracowanych przez wszystkie instalacje: (średnio 2.4 roku/instalacje) Typ PC 25B: Typ PC 25C: bezobsługowe działanie: 54 % czasu całkowitego okres między wyłączeniami: 1518 h sprawność elektryczna: % spadek napięcia 7%/1000 h bezobsługowe działanie: 77 % czasu całkowitego okres między wyłączeniami: 1541 h sprawność elektryczna: 32-38% spadek napięcia 5%/1000 h

77 Pure Cell 200 (UTC): 1. Reformer gazy ziemnego; 2. Ogniwo paliwowe, 3. Falownik, 4. Urządzenia kontrolne

78 Ballard Mk6000 (PEFC), 250 kw. Testy zawieszone.

79 Charakterystyka jednostki stacjonarnej Ballard Mk6000 (generator na zasadzie PEFC) Planowana moc: 250 kw Parametry pracy poj. ogn V przy 330 ma/cm Liczba ogniw w stosie: 688 Napięcie pracy: Napięcie bez obciąŝ ąŝenia: 535 V DC 700 V DC Planowana sprawność 40 % (36 %?) Wymiary: Masa 1.41 m x 1.68 m x 2.16 m 5080 kg Ciśnienie robocze: 517 kpa Zasilanie: Gaz ziemny (propan, wodór)

80 Wysokotemperaturowe węglanowe ogniwo paliwowe: Gaz syntezowy ze zgazowania węgla paliwem IHI (Japonia) 250 kw

81 300kW MCFC module Stos 300 kw przed montaŝem System demonstracyjny 300kW

82 Test w Santa Clara. Generator 2 MW (Energy Research Corporation) Zasilanie: Gaz ziemny 2 2 MW = 720 h 1 1 MW = 4570 h Energia wytworzona: 2500 MWh Sprawność elektryczna: 43.6 % Koszt: 46 mln US dol

83 Test w Kawagoe. Generator 1 MW (IHI i Hitachi) Zasilanie: Gaz ziemny 1 1 MW = 4916/2669 h Energia wytworzona: 2103 MWh Sprawność elektryczna: 45 % Spadek napięcia: %/ %/1000 h Napięcie pracy poj. ogn V Gęstość prądu: ma/cm 2 Utylizacja paliwa: 76 % Ciśnienie pracy: 0.49 MPa

84 2005: HotModule (MTU CFC Solutions) w szpitalu Rhön-Klinikum w Bad Neustadt przepracowało 25 tys. godzin Moc elektryczna: 250 kw Moc cieplna: 190 kw

85 Zastosowania stacjonarne Moduł MCFC w Guericke University 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

86 Generatory f-my Fuel Cell Energy (FCE), DFC DFC1500=1MW DFC300=250kW DFC3000= 2MW

87 Test OP typu SOFC - Westervoort I. kw Systemy sterowania Wylot ciepłem gazów Rekuperatory Powietrze Paliwo (gaz ziemny) Moduły elektryczne Stos OP zasilanie: gaz ziemny (konwersja wewnętrzna do H 2 i CO) Siemens Westinghouse P t / P rz -110 / 100 kw t: h (w tym t c: h ) przerwa remontowa po t: 3700 h h el : 46 % h el+ + c : 75 % liczba ogniw : 1152

88 Siemens-Westinghouse: SOFC + Mikroturbina 220kW 300 kw

89 Jakie koszty?

90 Warunki ekonomiczne komercjalizacji generatorów z ogniwami paliwowymi (cel): generatory stacjonarne: USD/kW h generatory do napędu samochodów 50 USD/kW h

91 Obecne ceny: Generatory stacjonarne skomercjalizowane PC25 (PureCell200) Generator Generator z dotacją państwową (USA) Generator zainstalowany i pracujący USD/kW USD/kW USD/kW Koszt eksploatacji: Czas pracy: USD/kWh (porównywalny z mikroturbiną) h

92 Obecne ceny: Generatory stacjonarne tuŝ przed komercjalizacją Hot Module (MTU) Obecnie W przyszłości Stos ogniw paliwowych MCFC USD/kW 750 USD/kW Generator USD/kW USD/kW Czas pracy: > h

93 Energetyka rozproszona Elektryczność Ciepła woda Ogrzewanie powietrzne Gaz ziemny Zbiornik ciepłej wody Ogniwo paliwowe Reformer Powietrze

94 Grzewcze ogniwo paliwowe f-my Vaillant + Plug Power Panel sterowania Reformer gazu ziemnego Stos ogniw paliwowych PEMFC Odsiarczanie paliwa NawilŜacz

95 Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenków Elektrolit: ZrO 2 dotowany Y 2 O 3 (lub CaO). Temperatura pracy: C (wysokotemperaturowe) Global Thermoelectric (ostatnio zakupiony przez FCE) 1.35 kw

96 Ogniwo tlenkowe HXS 1000 Premiere firmy 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 %, docelowo > 30 % Sprawność całkowita ok. 85 %

97 Samochody elektryczne

98 Pierwszy samochód napędzany OP Data Wytwórnia Model Technologia Paliwo 1966 Karl Kordesch Austin A40 Union Carbite SpręŜony wodór sedan 6 kw, AFC 320 km

99 Samochody z OP r Toyota FCHV 4 Rok 2001 P: 90 kw czas rozruchu: 10 s v max : 150 km/h zasięg: 350 km Honda FCX-V3 Rok 2001 P: 78 kw czas rozruchu: 10 s v max : 140 km/h zasięg: 330 km

100 Samochody niestandardowe

101 Koszty Samochody obecnie: wyłącznie produkcja prototypowa Honda FCX wypoŝyczenie miesięczne: wypoŝyczenie roczne: 8000 USD USD Cena planowana za lat: USD

102 ZagroŜenie: Sprawność eksploatacyjna samochodów elektrycznych z akumulatorami i ogniwami paliwowymi ( Grid-to-wheel efficiency) Sprawność nowoczesnych elektrowni cieplnych zbliŝa się do sprawności ogniw paliwowych. Elektrownie cieplne technologia dojrzała Sprawność wykorzystania energii elektrycznej w samochodach z akumulatorami ok.3x większa niŝ dla samochodów z ogniwami paliwowymi.

103 Autobusy z ogniwami paliwowymi Autobus Man 2001 P: 120 kw; l:300 km; v max :75 m/h Mercedes Citaro 2001 P-250 KW zasięg: 300 km v max.: 80 km/h

104

105 Zastosowania wojskowe i niszowe

106 Okręt podwodny typu 212A

107 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

108 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: km/h ( maks.270 km/h) Wysokość lotu: maks m Materiały: głównie włókna węglowe i styrofoam. Skrzydła pokryte specjalną plastikową tkaniną

109 26 czerwca 2003 roku podczas lotu testowego Helios zanotował problemy ze sterowaniem. W następstwie doznał uszkodzeń struktury płatu, co doprowadziło do katastrofy.

110 Program Land Warrior 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 uŝytku lub 8,16 kg baterii pierwotnych

111 Urządzenie z OP (RMFC) firmy UltraCell 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%

112 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)

113 Szybkość utleniania (spalania) węgla w duŝo niŝsza niŝ szybkość utleniania (spalania) wodoru Węgiel (utlenianie węgla i produktów pirolizy) Wodór (utlenianie) Samoistne procesy utleniania węgla wysoka temperatura Utlenianie węgla w OP efektywne w OP wysokotemperaturowych

114 Układy odpowiednie dla ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem węgla Temperatura Paliwo pracy alkaliczne C czyste H 2 polimerowe 90 C H 2, CH 3 OH, CO<50 ppm z kwasem fosforowym C H 2, CO<0.5% ze stopionymi węglanami 650 C H 2, CO stałotlenkowe C H 2, CO

115 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!

116 Schemat ogniwa paliwowego z bezpośrednim utlenianiem węgla Elektrolit tlenkowy CO 2 C + 2O 2- CO 2 + 4e - Węgiel Anoda O 2 + 4e - 2O 2- O 2- Elektrolit Katoda (tlen) O 2

117 Sprawność ogniwa paliwowego ε = praca otrzymana (energia elektryczna) energia dostarczona (energia chemiczna paliwa) ε = ε Th ε V ε F U ε Th sprawność termiczna = G r / Η r ε V sprawność napięciowa = V/SEM ε F sprawność faradajowska = i rzecz /i f U-wykorzystanie paliwa, np. H 2in /H 2out

118 Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego E Siła elektromotoryczna ogniwa (napięcie rozwartego ogniwa) Polaryzacja aktywacyjna Polaryzacja omowa Polaryzacja stęŝeniowa Dominacja polaryzacji aktywacyjnej Dominacja polaryzacji omowej Dominacja polaryzacji stęŝeniowej j

119 Sprawność elektryczna ogniw paliwowych w zaleŝności od uŝytego paliwa (750 C) ε = ε Th ε V ε F U ε Th ε V ε F U ε C H ( ) CH

120 Rozwiązania praktyczne: skala laboratoryjna Przewody do katody do anody Rura korundowa Napełnianie pneumatyczne Zasilanie węglem Separator Kolektor anody Zasilanie powietrzem Kolektor katody Węgiel + węglany Anoda C Elektrolit Katalizator katody

121 Propozycje rozwiązań praktycznych Anoda wejście Komora anodowa Wylot gazów anodowych Katoda wejście Wylot gazów katodowych Zbiornik ściekowy Pozwala na okresową wymianę elektrolitu Utrzymuje zwilŝalność paliwa węglowego w trakcie jego zuŝywania

122 Zalety węgla jako paliwa Paliwo + O 2 Spaliny + Energia Węgiel 20.0 kwh l -1 Wodór 2.4 Gaz ziemny 4.0 Benzyna 9.0 Olej napędowy 9.8

123 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:

124 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

125 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

126 Metanolowe ogniwo paliwowe (polimerowe) Telefon Toshibazasilacz - 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 razy większa niŝ DMFC

127 Zintegrowane ogniwo paliwowe zasilane kwasem mrówkowym z aparatem komórkowym (TEKION)

128 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