TECHNOLOGIE MAGAZYNOWANIA I OCZYSZCZANIA WODORU DLA ENERGETYKI PRZYSZŁOŚCI

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Szkoła Nauk Technicznych i Społecznych w Płocku C e n t r u m D o s k o n a ł o ś c i CERED REDUKCJA WPŁYWU PRZEMYSŁU U PRZETWÓRCZEGO RCZEGO NA ŚRODOWISKO NATURALNE TECHNOLOGIE MAGAZYNOWANIA I OCZYSZCZANIA WODORU DLA ENERGETYKI PRZYSZŁOŚCI Leszek CZEPIRSKI AKADEMIA GÓRNICZO G HUTNICZA im. Stanisława awa Staszica w Krakowie WYDZIAŁ PALIW I ENERGII ZAKŁAD AD FIZYKOCHEMII ZJAWISK MIĘDZYFAZOWYCH

2 ... w przyszłości źródłem światła a i ciepła a na naszej planecie będąb energia słoneczna s i wodór (Juliusz Verne, Tajemnicza wyspa ) (A. Zuettel, University of Fribourg, Department of Physics, Switzerland)

3 MAGAZYNOWANIE WODORU Magazynowanie wodoru: ciężki los lekkiego gazu W.Kwinta, NAFTA GAZ BIZNES, grudzień 2004

4 ADSORBENTY WODORU WĘGIEL AKTYWNY ŻEL KRZEMIONKOWY ZEOLITY A X Y RHO

5 ADSORBENTY WODORU NANOMATERIAŁY WĘGLOWE NANOMATERIAŁY WĘGLOWE DOMIESZKOWANE METALAMI ALKALICZNYMI NANORURKI AZOTKU BORU

6 PORÓWNANIE WIELKOŚCI W ADSORPCJI WODORU NA ADSORBENTACH WĘGLOWYCH I ZEOLITOWYCH

7 UKŁAD ADSORPCYJNEGO MAGAZYNOWANIA WODORU

8 PRZYKŁADY BADAŃ WŁASNYCH C1 C2 C3 C4 Węgiel aktywny typu R2 (Norit, Holandia) produkowany z torfu przez karbonizację i aktywację parą wodną Frakcja ziarnowa mm uzyskana przez zmielenie i przesianie próbki C1 Monolit węgla aktywnego (MAST Carbon Ltd., Guilford, W.Brytania) Próbka przygotowana przez wypełnienie wolnych przestrzeni monolitu (C3) frakcją ziarnową C2

9 IZOTERMY ADSORPCJI WODORU (77K) NA BADANYCH PRÓBKACH Chłonność adsorpcyjna względem wodoru jest porównywalna z danymi literaturowymi dla różnych typów węgla aktywnego. Można zaobserwować silną zależność pomiędzy wielkością adsorpcji wodoru a objętością mikroporów badanych próbek.

10 STOPIEŃ WYKORZYSTANIA POJEMNOŚCI MAGAZYNOWEJ ZBIORNIKA Tradycyjnie wielkość adsorpcji przyjęto wyrażać w przeliczeniu na jednostkę masy adsorbentu. Dla adsorpcyjnego magazynowania, gdy objętość zbiornika jest ograniczona, istotne znaczenie ma wielkość adsorpcji w przeliczeniu na jednostkę objętości zbiornika. Składowe pojemności magazynowej: objętość zajmowana przez szkielet węglowy, mikropory, makropory, przestrzenie międzyziarnowe.

11 ZALEŻNO NOŚĆ POJEMNOŚCI MAGAZYNOWEJ OD CIŚNIENIA

12 OPTYMALNE CIŚNIENIE MAGAZYNOWANIA WODORU (77K)

13 W porównaniu ze zbiornikiem nie zawierającym sorbentu pojemność magazynowa układu wypełnionego sorbentem wyraźnie wzrasta. Przyrost ten jest największy dla małych i średnich wartości ciśnienia i zmniejsza się ze wzrostem ciśnienia. Parametry densymetryczne w istotnym stopniu decydują o efektywności magazynowania. Dla badanych próbek węgla aktywnego maksymalny udział gazu zaadsorbowanego w pojemności magazynowej jest rzędu 75%. Ponieważ wielkość składowej związanej z udziałem adsorpcji w pojemności magazynowej zależy od ilości adsorbentu w zbiorniku, dla osiągnięcia wyższej pojemności magazynowej celowe jest minimalizowanie martwych przestrzeni złoża, przez zwiększenie stopnia upakowania adsorbentu. Optymalizacja taka nie musi się odbywać poprzez poszukiwanie adsorbentu o wyjątkowo rozwiniętej mikroporowatości (powierzchni właściwej), ale przez wykorzystanie sposobów zwiększenia jego upakowania w złożu (dobór kształtu ziarna adsorbentu), stosowanie polidyspersyjnych frakcji ziarnowych, usunięcie inertnej substancji mineralnej, zastosowanie mikroporowatego adsorbentu w formie monolitu wypełniającego zbiornik. Zaproponowana procedura przygotowania próbki C4 spełnia powyższe postulaty.

14 PORÓWNANIE SPOSOBÓW MAGAZYNOWANIA WODORU Układ Parametry techniczne Objętość i masa z uwzględnieniem zbiornika [dm 3 ] [kg] Zalety Wady Wodór skroplony 208K Duża gęstość magazynowanego gazu Konieczność termicznej izolacji układu (20K); straty parowania Wodór sprężony 30 MPa MPa MPa Prosty, ekonomiczny Niebezpieczny, zajmujący dużo miejsca Wodorki metali 2% wag % wag Zwarta budowa zbiorników; względne bezpieczeństwo Duża masa układu; wysoki koszt; niestabilność; łatwość zatrucia" Adsorpcja (77K; 6 MPa) 5% wag Duża pojemność magazynowa, umiarkowany koszt Konieczność termicznej izolacji układu (77 K)

15 PORÓWNANIE KOSZTÓW W MAGAZYNOWANIA WODORU Rodzaj i koszt zasilania Sposób i koszt magazynowania Wodór gazowy Rodzaj i koszt procesu energochłonnego Koszt całkowity Sprężarka 0,06 Zbiornik 0,66 Sprężanie 0,28 1,00 Agregat chłodniczy 0,10 Sprężarka 0,04 Sprężarka; agregat chłodniczy 0,16 Wodór skroplony Izolowany 0,19 Skraplanie 1,68 1,97 zbiornik Wodorki metali Metal lub stop metali; zbiornik z wymiennikiem ciepła 0,63 Krioadsorpcja (77K) Węgiel aktywny; izolowany zbiornik 0,39 Sprężanie; ogrzewanie Sprężanie; chłodzenie 0,58 1,25 0,61 1,16

16 Niskotemperaturowa adsorpcja wodoru na węglu aktywnym pod ciśnieniem kilku MPa jest porównywalna zarówno z magazynowaniem w zbiornikach gazu sprężonego co najmniej do 20 MPa, jak i z przechowywaniem gazu w zbiornikach z wodorkami metali. Układ węgiel aktywny wodór spełnia podstawowe wymagania stawiane systemom adsorpcyjnego magazynowania: duża pojemność magazynowa w przeliczeniu na jednostkę objętości zbiornika pod umiarkowanym ciśnieniem magazynowania, długa żywotność przy praktycznie nieograniczonej trwałości magazynowania, łatwość wydzielania zmagazynowanego gazu, łatwość regeneracji adsorbentu po określonej ilości cykli pracy napełnianie zbiornika wypływ (adsorpcja desorpcja), niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

17 OCZYSZCZANIE WODORU W ZMIENNOCIŚNIENIOWYM CYKLU ADSORPCYJNO DESORPCYJNYM PSA (Pressure Swing Adsorption) Etapy pracy kolumny adsorpcyjnej w instalacji PSA PORÓWNANIE METOD OCZYSZCZANIA WODORU

18 LITERATURA (prace własne) Pliki w formacie pdf na stronie internetowej: home.agh.edu.pl/~ /~czepir/ 1). L. Czepirski, B. Buczek, Hydrogen storage using porous materials - new challenges for adsorption technology, Ochrona i Inżynieria Środowiska - Zrównoważony rozwój, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 2004, vol 25, ). B. Buczek, L. Czepirski, J. Ziętkiewicz, Improvement of Hydrogen Storage Capacity for Active Carbon, ADSORPTION, 2005, 11, ). B. Buczek, L. Czepirski, E. Komorowska - Czepirska, Technologia adsorpcyjna w magazynowaniu wodoru, INŻYNIERIA I OCHRONA ŚRODOWISKA, 2004, 7(2), ). B. Buczek, L. Czepirski, Storage of hydrogen in commercial activated carbon, INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA, 2003, 24(3),