Magazynowanie wodoru. Wizja? Konieczność? Możliwości?

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Magazynowanie wodoru. Wizja? Konieczność? Możliwości?"

Dariusz Kubiak
8 lat temu
Przeglądów:

1 Magazynowanie wodoru Wizja? Konieczność? Możliwości?

2 Wizja

4 Konieczność Teoria Hubberta peak oil Wydobycie ropy naftowej maleje po wyczerpaniu połowy udokumentowanych złóż.

8 Możliwości

10 Dlaczego wodór? 1. Atomy wodoru to 15,4% populacji wszystkich atomów na kuli ziemskiej 2. Odnawialny i czysty nośnik energii 3. Najwyższa wartość energii spalania z jednostki masy 142 MJ / kg ( węglowodory 47 MJ / kg ) 4. Nietoksyczny i bezpieczny 5. Aktualna produkcja 8x10 Mt ( tylko 6% dla celów energetycznych ) 6. Surowce: węglowodory, węgiel, woda, biomasa

Najwyższa wartość energii spalania z jednostki masy 142 MJ / kg ( węglowodory 47 MJ / kg )

11 7. Produkcja konwencjonalna: zgazowanie węgla, konwersja z parą wodną ( CO, metan ), elektroliza wody, elektroliza HTE, fermentacja biomasy 8. Aplikacja wodoru jako nośnika energii spalanie konwencjonalne ( wydajność 25% ), spalanie elektrochemiczne ( wydajność 50 60% ). 9. Ekonomika magazynowania cel: min. 6,5% wag. wodoru w pojemniku.

Aplikacja wodoru jako nośnika energii spalanie konwencjonalne ( wydajność 25% ),

12 Porównanie energii spalania głównych nośników energii.

13 Nowe (niekonwencjonalne) metody otrzymywania wodoru A. Cykle termochemiczne Cykl termochemiczny polega na wykorzystaniu ciepła wytwarzanego przez reaktory atomowe (lub inne źródła) dla opracowania cyklu reakcji endo- i egzotermicznych zestawionych w taki sposób, by ich bilans sprowadzał się do rozkładu wody na tlen i wodór.

wytwarzanego przez reaktory atomowe (lub inne źródła) dla opracowania cyklu

16 Zogniskowana energia słoneczna O 2 ZnO Zn + 1/2 O 2 Rozkład tlenku metalu ZnO (stały) Zn (stały) Zn + H 2 O ZnO + H 2 Dysocjacja wodna H 2 (produkt) H 2 O(para)

17 B. Ogniwa fotoelektrochemiczne Ogniwami elektrochemicznymi nazywamy takie urządzenia, w których w wyniku naświetlania zachodzi reakcja elektrochemiczna. Jednym z rozwiązań jest ogniwo, w którym półprzewodnik zanurzony w elektrolicie absorbuje promieniowanie elektromagnetyczne i służy do wytwarzania wodoru.

19 Warunki: 1. Potencjał h + > pot. utl. H 2 O 2. Pot. elektronu < pot. red. H 2 O

21 Fotosensybilizowana redukcja wody h D + S S* A 1/2 H 2 +OH - D S + A - Pt H 2 O S fotosensybilizator Ru(bipy) 3 2+ A przenośnik elektronów MV 2+ ( 1,1-dimetylo-4,4 -bipirydyl ) D donor elektronów EDTA

22 4[Ru(bipy) 2+ 3 ] + 4hv = 4[Ru(bipy) 2+ 3 ]* 4[Ru(bipy) 2+ 3 ]* + 4MV 2+ = 4[Ru(bipy) 3+ 3 ] + 4MV + 4MV + + 4H + + (Pt) = 4MV H 2 4[Ru(bipy) 3+ 3 ] + 4EDTA = 4[Ru(bipy) (EDTA) + Pytanie: jak utlenić tlen? Odpowiedź: ogniwo typu tandem

24 Przykładowy fotokatalizator ( dye-sensitizer )

25 Dwustopniowe ogniwo fotoelektrochemiczne

26 C. Biowodór Wodór otrzymywany z biomasy w procesach biologicznych. Przykładowe metody: 1. Biofotoliza w zielenicach ( green algae )

27 2. Fotosynteza z udziałem cyjanobakterii 3. Fermentacja anaerobowa

28 Przyszłość biowodoru

30 Metody magazynowania wodoru I. Magazynowanie w stanie gazowym Butle wysokociśnieniowe z sprężonym wodorem: - ciśnienienie 30 _ 75 Mpa - zawartość H 2 0,03 kg/l, do 13% wag. - wada energochłonne sprężanie

33 II. Magazynowanie w stanie ciekłym Zbiorniki kriogeniczne - t.w. H 2 = -252 o C - zawartość H 2 0,07 kg/l, 8 20% wag. - wady: duży koszt schładzania wodoru, konieczni\ość stosowania układu otwartego

35 III. Magazynowanie H 2 w fazie stałej

37 Metody adsorpcyjne Fizysorpcja monowarstwy H 2 na powierzchni materiału 1. Materiały węglowe a.) Węgiel aktywny (aktywowany) otrzymywany przez: # aktywacje fizyczną karbonizacja w atm. gazu obojętnego ( o C) lub w atm. Utleniającej ( o C) # aktywacja chemiczna impregnacja kwasami (H 3 PO 4 ), zasadami (NaOH, KOH) lub solami (ZnCl 2 ) a następnie karbonizacja ( o C) # powierzchnia właściwa do 1500 m 2 /g ( do 1,5% wag. wodoru ) b.) Struktury grafitowe # grafeny warstwy odległe o kilka nm, pory decydują o właściwościach adsorpcyjnych # powierzchnia właściwa do 3000 m 2 /g (do 3% wag. wodoru) c.) nanomateriały węglowe (fullereny, nanorurki) # powierzchnia właściwa -?, ( pow. 3% wag. wodoru)

38 Grafeny warstwa 2 mm = 6 mln struktur grafenowych

40 Fulleren Nanorurka SWNT

42 2. Zeolity Zeolity glinokrzemiany szkieletowe o mało zwartej sieci przestrzennej, poprzecinanej kanałami o wymiarach molekularnych umożliwiających wchłanianie różnorodnych substancji. Pow. właściwa do 1000 m 2 /g, stabilność chemiczna, niepalność. Ogólna formuła: Na 2 (Al 2 Si 3 O 10 )x2h 2 O natriolit Zeolity syntetyczne: Typ X - SiO 2 : Al 2 O 3 < 5 Typ Y - SiO 2 : Al 2 O 3 > 5 Typ A - Si : Al. = 1, układ ściętych oktaedrów, trójwymiarowe wzajemnie prostopadłe kanały 0,42 nm. Adsorpcja wodoru do 2% wag. ( zależnie od temp. i ciśnienia )

45 3. MOF ( Metal-Organic Frameworks ). Krystaliczne materiały o szkielecie metaloorganicznym charakteryzujące się dużą porowatością (pory < 2 nm). Zbudowane z atomów lub jonów metali kompleksowanych przez rozbudowane cząsteczki organiczne w trójwymiarowe struktury krystaliczne. Adsorpcja wodoru do 5,5% wag. w temp. 78 K, p= 20 bar, do 2% wag. w temp. 298 K, p = 10 bar. Przykład: Zn 4 O(BDC) 3 BDC = (anion kwasu 1,4-benzenodikarboksylowego) 4 Zn H 2 BDC + 8OH - = Zn 4 O(BDC) 3 + 7H 2 O

47 Metody absorpcyjne Wodorki metaliczne MH n Mechanizm odwracalna absorpcja wodoru w metalach bloku d, lantanowcach i aktynowcach. Cząsteczki wodoru dysocjują na powierzchni metalu i powstające atomy dyfundują do wewnątrz ciała stałego tworząc wodorki międzywęzłowe (niestechiometryczne). Podczas desorpcji atomy H rekombinują tworząc H 2. Metody absorpcji; a.) ciśnieniowa ( 1-10 bar, o C ) b.) elektrochemiczna ( redukcja H 2 O na met. anodzie )

49 WODORKI METALICZNE T Metal Wodorek % wag. p rów. [bar] T [K] Elem. Pd PdH 0.6 0,56 0, AB 5 LaNi 5 LaNi 5 H 6 1, AB 2 ZrV 2 ZrV 2 H 5.5 3, AB FeTi FeTiH 2 1, A 2 B Mg 2 Ni Mg 2 NiH 4 3, reg. p.c. TiV 2 TiV 2 H 4 2,

50 Pojemniki z MH n da zasilania ogniwa paliwowego w laptopie

51 Inne zastosowanie praktyczne Ogniwo NiMH Napięcie 1,25 V Anoda stop metal. zdolny absorbować wodór np.. LaNi 5, ZrV 2 Katoda NiO(OH) Elektrolit 20% KOH? Rozładowanie: Ładowanie: A. MH + OH - = M + H 2 O + e K. NiO(OH) + H 2 O + e = Ni(OH) 2 + OH - A. M + H 2 O + e = MH + OH - K. Ni(OH) 2 + OH - = NiO(OH) + H 2 O + e

52 Reakcje chemiczne Złożone (kompleksowe) wodorki jonowe magazynujące wodór poprzez: a.) odwracalną reakcję z wodorem ( adsorpcja i desorpcja wodoru,zależne od temperatury i ciśnienia ) b.) generowanie wodoru w nieodwracalnej reakcji z wodą

59 Porównanie efektywności różnych metod magazynowania wodoru.

60 Wodór bezpieczne paliwo?

61 BMW Hydrogen 7 Silnik spalinowy 260 KM, paliwo: benzyna 74 L, ciekły wodór 8 kg; zasięg 600 km, prędkość 250 km/h

63 Ford Focus FCV Sprężony H 2, 5000 psi, ogniwo paliwowe, silnik elektryczny

64 Toyota Highlander SUV FCHV 4 butle z spręż. H 2 ( psi), PEMFC, silnik elektr. 90 kw, zasięg 750 km

Podobne dokumenty

Otrzymywanie wodoru M

Otrzymywanie wodoru M Własności wodoru Wodór to najlżejszy pierwiastek świata, składa się on tylko z 1 protonu i krążącego wokół niego elektronu. W stanie wolnym występuje jako cząsteczka dwuatomowa H2.