Perspektywy energetyki wodorowej. Zrodło AGH prezentacja

Transkrypt

1 Perspektywy energetyki wodorowej Zrodło AGH prezentacja

2 Plan prezentacji Dlaczego energetyka wodorowa Aktualne źródła energii Wodór jako nośnik (magazyn) energii Wodór w samochodach Energetyka wodorowa w USA Energetyka wodorowa w Japonii Energetyka wodorowa w UE Energetyka wodorowa w Polsce

3 Juliusz Verne ( ) W powieści Tajemnicza wyspa (1874) Inżynier Cyrus Smith: Wierzę, że pewnego dnia wodór i tlen, z których zbudowana jest woda, użyte razem lub osobno dadzą niewyczerpane źródło ciepła i światła

4 Prof. Bohdan Staliński W książce Wodór i wodorki wydanej w 1987 roku: Czysty wodór, w tym także wodór otrzymywany z wodorków jest niewątpliwie paliwem przyszłości, szerszego jego zastosowania spodziewać się należy prawdopodobnie dopiero w XXI wieku.

5 Ekonomia wodorowa Ograniczone zasoby ropy naftowej i gazu ziemnego oraz wzrost zapotrzebowania na energię zmusza nas do poszukiwania nowych źródeł energii: Odnawialne źródła energii Energia jądrowa Wodór (16% atomowych w skorupie ziemskiej)

6 Zużycie ropy naftowej

7 Dlaczego energetyka wodorowa Molekuła wodoru łącząc się z molekułą tlenu oddaje 242 kj/mol H 2 O energii i tworzy wodę tzn. mamy dużo energii i produkt ekologiczny czyli wodę. Dwa sposoby: spalanie i ogniwo paliwowe Tlenu gazowego mamy pod dostatkiem ale musimy wytwarzać wodór gazowy i tu jest problem - techniczny i ekonomiczny. Dlaczego interesujemy się wodorem jako źródłem energii bo jest to realna perspektywa po wyczerpaniu się złóż gazu i ropy Wodór nie jest źródłem pierwotnym, ale nośnikiem magazynem energii, dlatego nie należy go traktować jako konkurencyjny dla energii jądrowej Może być najlepszym źródłem energii dla transportu gdy zabraknie benzyny Atrakcyjną i tanią perspektywą wytwarzania wodoru w Polsce jest zgazowanie węgla.**- technologia LEGS patrz następne slajd y

8 Proces ISCC tj. gazyfikacji węgli brunatnych z udziałem sorbentów wapniowych wychwytujących dwutlenek węgla połączony z układem regeneracji tego sorbentu staje się porównywalny co do kosztów i efektywności z technologią IGCC przy wykorzystaniu dezaktywowanego w wielu cyklach sorbentu do produkcji cementu. Silnie egzotermiczna reakcja sorpcji, CO 2 podczas reformingu para wodna daje dodatni efekt energetyczny reakcji gazyfikacji prowadząc do małych strat ciepła i prostej konstrukcji reaktora. Sumaryczna reakcja opisująca LEGS, (lime Enhanced solid gasification) ma postać: Paliwo + a CaO + b H 2 O x H 2 + (a-z) CaCO 3 + y C + z CaS (1) prócz wodoru produktami reakcji są stale substancje jak węglan wapnia, pozostałość koksowa, popiół, gips i CaS. Stale produkty gazyfikacji musza być odseparowane od gazu i mogą być wykorzystane w piecu cementowniczym wg. reakcji: (a-z) CaCO 3 + y C + z CaS + c O 2 + heat (a-z) CaO + z CaSO 4 +? CO 2 +? H 2 O (2) Schemat proponowanego procesu przedstawia CO 2 Steam Coal Drying CaO, Ash CaSO 4 LEGS >10 bar > 973 K Raw Gas CaO, CaCO 3, C CaS, CaSO 4, Ash HT - removal of solids requested! CC power plant Q reg CaCO 3 Q add Regeneration > 1173 K solid purge Cement production CO 2 (flue gas) Cement

9 Reaktor zgazowujący typu LEG - Lime Enhanced Gasification

10 Koncepcja gazyfikacji i sorpcji CO 2 Bilans energii produkcji wodoru z węgla wraz z wychwytywaniem dwutlenku węgla sorbentem tlenku wapnia

11

12 We can work with high make up flows to ensure a large presence these type of particles Fuel gas w/o CO 2 CO2 1 1 Gasifier/ carbonator Calciner XCaO Fuel Fuel gas w/o CO 2 CaO CaCO 3 CO2 CaO CaCO Gasifier/ carbonator Calciner cycle number Fuel CaO CaCO 3 We accept this low capture capacity and design the chemical loop with large ciruclation rate of solids (< 10 Kg/m 2 s)

13

14 Energia z wodoru Wykorzystując każde z tych źródeł energii można uzyskać wodór, ale taniej jest uzyskiwać z nich energię bezpośrednio (ciepło, spalanie, energia elektryczna) Problem energia elektryczna musi być natychmiast zużyta, a nasze potrzeby zależą od pory dnia i sposobu użytkowania stacjonarny i do poruszania się. Najlepsza metoda uzyskiwania wodoru - elektroliza ale ponieważ uzyskujemy energie przez reakcje odwrotną, jest to proces nieopłacalny, chyba że: Do elektrolizy używamy energii słonecznej, jądrowej lub ze źródeł odnawialnych lub geo-termalnych i wykorzystujemy wodór do magazynowania energii np. dla celów transportowych czy też zaspokojenia zapotrzebowania szczytowego (jak elektrownie szczytowo-pompowe)

15 Energetyka wodorowa Wdrożenie energetyki wodorowej napotyka na istotne problemy i trudności, a w szczególności: opracowanie metod taniego uzyskiwania wodoru, znalezienie sposobów i materiałów do bezpiecznego i taniego magazynowania oraz transportu wodoru opracowanie silnika, ogniwa paliwowego lub baterii o jak najwyższej sprawności i odpowiednio taniego.

16 Magazynowanie wodoru W zależności od zastosowań potrzebujemy: Zbiorniki stacjonarne Zbiorniki do środków transportu o dużym gabarycie (np. cysterny,autobusy) do samochodów osobowych Małe zbiorniki dla przenośnych urządzeń elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi

17 Zawartość wodoru [kg H 2 / m 3 ] Gęstości - porównanie Niska temperatura wodorowania Nowe wodorki Olej napędowy Benzyna Stal Kompozyty H 2 pod ciśnieniem Ciekły H 2 Fizysorbcja Grawimetryczna zawartość H 2 [%]

18 Wymogi dotyczące zbiorników na wodór dla samochodów osobowych Możliwość zmagazynowania 5 7 kg wodoru pozwalająca przejechać km Mała objętość zbiornika (maks. ~200 l) Jak najlżejsze Niskie ciśnienie pracy (~25 atm) Niska temperatura pracy maks.~80 o C Małe ciepło wydzielane przy ładowaniu/rozładowaniu Duża gęstość wodoru w stosunku do masy całego zbiornika Wytrzymałość mechaniczna Bezpieczeństwo Krótki czas ładowania ~ 5min

19 Objętość zmagazynowanego wodoru 4 kg wodoru 3 l benzyny / 100 km = 0.3 kwh / km 26l 33l 57l 110l Mg 2 FeH 6 LaNi 5 H 6 H 2 (liquid) H 2 (200 bar) Ref.: Louis Schlapbach & Andreas Züttel, NATURE VOL NOVEMBER 2001 pp Andreas Züttel,Switzerland,08/07/06

20 Budowa samochodu napędzanego wodorem FCX firmy HONDA Superkondensator Silnik elektryczny Zbiornik wodoru Chłodnica Osuszacz powietrza Pompa powietrza Ogniwo paliwowe

21 Samochody ze zbiornikami na ciekły i gazowy wodór EDC European Driving Cycle

22 Energetyka wodorowa w USA Departament Energii USA realizuje od lat program wdrażania energetyki wodorowej Głównym celem jest zastosowanie wodoru jako paliwa w samochodach Prezydent USA w roku 2004 zainicjował program Paliwo wodorowe, na który przeznaczono 1.2 miliarda USD na 5lat Przemysł jest przygotowany do produkcji wodoru dla potrzeb energetycznych i transportowych Przemysł ma opracowane ogniwa paliwowe i samochody na wodór Głównym problemem jest dystrybucja i magazynowanie wodoru w samochodach oraz obniżenie kosztów do poziomu opłacalności

23 Za zgodą Pani Sunity Satyapal DOE

24 Za zgodą Pani Sunity Satyapal DOE

25 Za zgodą Pani Sunity Satyapal DOE

26 Za zgodą Pani Sunity SatyapalDOE

27 680 at. 340 at. 80 l Sunita Satyapal DOE

28

29 Za zgodą Pani Sunity SatyapalDOE

30 Za zgodą Pani Sunity Satyapal DOE

31 Energetyka wodorowa w Japonii

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44 Energetyka wodorowa w UE Projekt HYPOGEN ( ) 1.3 mld Projekt HYCOM ( ) 1.5 mld Do tej pory wydano łącznie 0.5 mld (bez nas) W 7 PR do dyspozycji na lata mld

45

46 Autobusy na wodór 30 w Europie Stan: luty 2006

47

48

49

50

51

52 Energetyka wodorowa w Niemczech

53 Energetyka wodorowa w Niemczech

54 Energetyka wodorowa w Niemczech

55 Zastosowanie napędu wodorowego w łodzi podwodnej submarine Ciekły tlen Zbiornik na wodór (wodorek metalu) Wodorek Pojemność zbiornika Ti Zr (Mn V Fe X) 2 ca. 1.5 wt.-%

56

57 Munchen- hydrogen station Dystrybutory Vessel LH2 Zbiornik z wodorkiem. Zbiorniki wysokociśnieniowe

58 Stacja wodorowa na lotnisku w Monachium

59 Końcówka do wlewania ciekłego wodoru fill liquid hydrogen Fot. K. Wierzbanowski

60 Końcówka do tankowania gazowego wodoru hydrogen head for filling gas Fot. K. Wierzbanowski

61 Licznik pobranego wodoru gazowego Fot. K. Wierzbanowski

62 Koszt eksploatacji samochodu Przyjmując 1.2 /l benzyny i 8 / kg wodoru mamy koszty: 3. Koszt 1 kwh energii z benzyny 0.1, z wodoru 0.04, 2. Koszt przejechania 400 km na wodór na benzynie 37,8 33,6

63 Energetyka wodorowa w Islandii

64 Prognoza produkcji wodoru w Islandii

65 W Islandii planowana jest sieć stacji z wodorem dla samochodów, Koszt ok mln

66

67 Energetyka wodorowa w Polsce Polska Platforma Technologiczna Wodoru i Ogniw Paliwowych (2005) Ministerstwo Nauki projekt zamawiany 2005: Materiały i technologie dla rozwoju gospodarki wodorowej w oparciu o przemysłowe gazy procesowe Klaster śląski uzyskiwanie wodoru pod ziemią sekwestracja CO 2 W ramach krakowskiego klastra energetycznego nowa inicjatywa AGH Brak szerszej koordynacji i nakładów państwowych Samochody na wodór w Polsce?

68 Polski samochód wodorowy adaptacja MELEXu z z silnikiem Fiata 126p 25 km/godz, 5,5 m 3 /1h jazdy M. Rudkowski Polskie silniki i pojazdy wodorowe, Przemysł Chemiczny, 84/11(2005)

69 Polska Tanie wytwarzanie wodoru prace studyjne: 2. GIG podziemna gazyfikacjawodoru 2. Wytwarzanie wodoru w procesie koksowniczym 3. Energetyka Jądrowa AGH Magazynowanie wodoru: Badania podstawowe AGH, WAT, IChF, Pol Pozn. Wykorzystanie wodoru: Ogniwa Paliwowe AGH, INTiBS Wrocław,UW Samochód Inst. Nafty i Gazu, Kraków

70 Oczekiwania W świecie -jest i będzie istniał silny rozwój badań mający na celu wdrożenie energetyki wodorowej a w szczególności: - wykorzystania wodoru do napędu samochodów - rozpowszechnienie wodoru jako pośredniego nośnika energii - nastąpi to w latach W Polsce - mamy szanse włączyć się w badania poprzez 7 Ramowy ProgramUE -brak spójnej polityki energetycznej uwzględniającej wodór jako nowy nośnik energii Platforma wodorowa na razie nic nie wnosi -bez istotnego dofinansowania przez państwo fazy rozruchowej, pomimo udziału w programach finansowanych przez UE raczej nie należy oczekiwać szybkiego upowszechnienia energetyki wodorowej

71 Źródła 1. Prace cytowane na planszach 2. H-Workshpo, Bad Honnef 2005, Materiały z wykładów: WEberhardt, U. Eberle,M. Felderhof, C. Jensen, T. Klassen, 3. Workshop NORSTORE Jillingen, Maj 2006, Materiały z wykładów: T. I Sigfuson, S.Satyapal 4. E. Akiba, Japans Global vision for Hydrogen Storage Technology and the Hydrogen Economy, Gordon Conf, Hydrogen-Metal Systems, J. M Bermejo Fuel cells and hydrogen research Piladephia European Union Compendium on Hydrogen and Fuell cell projects

72 Dziękuję za uwagę

73 Zbiornik wysokociśnieniowy.

74 Konstrukcja zbiornika Kompozytow y zbiornik f irmy Quantum.

75 Właściwości fizyczne wodoru Energia jonizacji: H(g) H+(g)+ e- Powinowactwo elektronowe H(g)+ e- H- Promień atomu H, Promień atomowy kowalencyjny, Promień H+ Promień H- w wodorkach jonowych Entalpia ΔH298 reakcji 2H(g) H2 (g) Gęstość (293 K, 1 atm) Gęstość (20 K, 1 atm) Temperatura wrzenia (1 atm) (-252,6 o C Energia chemisorpcji E ch Energia 13,595 ev 0,75 ev 0,053 nm 0,037 nm 0,15 0,13-0,15 nm -436,26 kj/mol kg/m 3 70,8 kg/m 3 20,55 K 50 kj/mol H MJ/kg

76 Fot. K. Wierzbanowski

77 Fot. K. Wierzbanowski

78 Fot. K. Wierzbanowski

79 Fot. K. Wierzbanowski

80 Na stacji paliw ARAL w Berlinie Fot. K. Wierzbanowski

81 Technologie magazynowania H 2 Technologie magazynowania Konwencjonalna Przechowywanie w ciele stałym LH 2 CGH 2 Materiały lite Ads. na wewn. pow. Wodorki kompleksowe Wodorki metalu Materiały o dużej pow. Wyższe temperatury i ciśnienia Niskie temperatury

82 Magazynowanie ciekłego wodoru Ciekły wodór (-253 o C) Zawór Grzejnik elektryczny Gazowy wodór Zawór bezpieczeństwa??????????? Izolacja Wewnętrzny zbiornik Sonda Linia zasilająca Rozprężanie gazu Wlew Wodny wymiennikciepła Zawór rozprężający gaz Zawór rozprężający ciecz Uzupełnienie cieczy Osłona Zewnętrzny zbiornik Rozprężanie cieczy Grzanie elektryczne

83 Magazynowanie wodoru w zbiornikach ciśnieniowych Warstwa ochronna Reduktor wewnętrzny Wylot gazu Powłoka z polimeru o wys. gęstości Powłoka z kompozytu węglowego Zawór bezpieczeństwa Miernik temperatury Kopuła piankowa

84 Konstrukcja zbiorników Ograniczenie dopływu ciepła (300K-20K) Pojemnik pod ciśnieniem (700 bar) Optymalizacja rozmiaru / Wskaźnik pow. Optymalizacja kształtu Oba zbiorniki LH 2 i CGH 2 mają cylindryczny kształt

85 Hybrydowy zbiornik firmy Linde zew nętrzna powłoka osłona radiacyjna wodór w ew nętrzna pow łoka w ymiennikciepła pow ietrze atmosferyczne ciekłe powietrze skroplone powietrze

86 Produkcja wodoru w Polsce przez zgazowanie węgla

87 Absorbent Problem ciepła związany z ładowaniem i rozładowaniem zbiornika z wodorem H 2 odbierany Naładowanie 5 kg H 2 w ciągu 5 minut powoduje wydzielenie 420 kw, Użycie 2 g/s wodoru wymaga dostarczenia 50 kw Grzanie/chłodzenie Rozkład masy Pojemnik ciepła System grzania Chłodzenie Wodór Zbiornik H 2 dostarczany

88

89

90 Za zgodą Pani Sunity Satyapal DOE