piotr tomczyk wydziałenergetyki i paliw

Energetyka wodorowa

TAURON Polska Energia

5. grudnia, 2009

Piotr Tomczyk

Wydział Energetyki i Paliw

4430Inna odnawialna

6779Energia wodna

1216202Energia jądrowa

27231817Gaz

67922Olej opałowy

44444449Węgiel

Struktura zu Ŝycia %

184601423098703770ZuŜycie finalne energii elektrycznej Mtoe

2020201019971971lata

ZuŜycie energii elektrycznej i struktura paliw dla elektroenergetyki w ujęciu globalnym w

prognozie IEA (scenariusz referencyjny)

Konieczność zaspokojenia wzrostu popytu na energię elektryczną

na świecie

w kraju

Struktura procentowa energii pierwotnej w stuletniej prognozie IIASA/WEC – scenariusz

ekologiczny C1

•• Wzrost Wzrost śśrednich temperaturrednich temperatur

(globalne ocieplenie, lokalne (globalne ocieplenie, lokalne ochochłłodzenie),odzenie),

•• Topnienie lodowcTopnienie lodowcóów,w,

•• Podnoszenie siPodnoszenie sięę poziomu wpoziomu wóód d w morzach i oceanach,w morzach i oceanach,

•• Ekstremalne zjawiska Ekstremalne zjawiska pogodowe.pogodowe.

Skutki efektu cieplarnianego

Dlaczego wodór?

Wodór jest paliwem przyjaznym dla środowiska

H2 + 1/2O2 →→→→ H2O + 120 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

Rozkład wody

Środowisko

Spalanie

Przesył i magazynowanie

Energia odnawialna

H2H2

H2O

Czysta energia

O2

Zamknięty obieg wodoru

Realizacja obiegu wodorowego w praktyce

ZagroŜenie: Sprawność obiegu wodorowego powinna być zdecydowanie wyŜsza niŜ 4-12%!

Gospodarka wodorowa

Wodór jest nośnikiem energii

podobnie jak

elektryczność,która jest obecnie podstawowym nośnikiem energii w

systemach energetycznych

Energetyka wodorowa jako symbioząwykorzystania dwóch nośników energii:

wodoru i elektryczności

W wielu obszarach energetyki elektrycznośćmoŜe być konkurencyjna do wodoru

(magazynowanie energii, produkcja z surowców energetycznych)

ProdukcjaTransport i

magazynowanie Wykorzystanie

Wodór, H2

Energetyka wodorowa jako sieć powiązań pomiędzy produkcją, transportem i magazynowaniem oraz wykorzystaniem wodoru jako wtórnego nośnika

energii

Czy wodór jest bezpieczny?

Katastrofa „Hindenburga”, Lakehurst, N.Y. 6. maja, 1937 r.

Katastrofa „Hindenburga”,

Lakehurst, N.Y. 6. maja, 1937 r.

• spłonęło 200 000 m3

wodoru

• zginęło 37 osób

• 2/3 pasaŜerów przeŜyło

• poŜar rozpoczął się od łatwopalnej powłoki sterowca

• większość ludzi zginęła na skutek poparzenia paliwem płynnym

• spłonęło 200 000 m3

wodoru

• zginęło 37 osób

• 2/3 pasaŜerów przeŜyło

• poŜar rozpoczął się od łatwopalnej powłoki sterowca

• większość ludzi zginęła na skutek poparzenia paliwem płynnym

Katastrofa „Columbii”16. stycznia, 2003

A moŜe jednak mniej niebezpieczny niŜ się wydaje?

Doświadczenie przeprowadzone przez College of Engineering w Miami University

Czas: 0 min., 0 sek.

Czas: 0 min., 3 sek.

Czas: 1 min., 0 sek.

Czas: 1 min., 30 sek.

Rozwój gospodarki wodorowej

wymaga

akceptacji społecznej

Skąd wodór?

Tradycyjne sposoby produkcji wodoru

• zgazowanie paliw stałych

• zgazowanie paliw ciekłych

• konwersja lub rozdział paliw gazowych

• elektroliza wody

Elektroliza 3.9%Węgiel 18%

Gaz ziemny48%Paliwa ciekłe30%

Inne0.1%

Produkcja wodoru dzisiaj:50 Mt

W Polsce: zgazowania węgla!

Lp Reakcja Entalpia ∆ H 0r, 273

[kJ/mol]

1 C + O2 CO2 - 406,430

2 C + CO2 2CO + 160,896

3 C + H2O CO + H2 +118,577

4 CO + H2O CO2 + H2 - 42,361

5 CO + 3 H2 CH4 + H2O - 206,064

6 C + 2 H2 CH4 -83,800

Zgazowanie węgla nie jest technologia nową!

Rodzaje reaktorów do zgazowania

StrumieniowyZłoŜe fluidalneStałe złoŜe

81.67669.770-7589-91Sprawność energ. konwersji (%)

99.7>9996.590-9299.7Stopień konwersji węgla (%)

2-33-821-2.72.5-3Ciśnienie (MPa)

do 2000-1100950do 1800Temperatura strefy reakcji (°C)

O2+H2OO2+H2Opow. + H2O

pow. + H2O

O2+H2OCzynnik zgazowujący

SHELLTEXACOKRWHTWLurgi/BGTechnologia

Rodzaj generatora

Wybrane parametry technologii zgazowania węgla

IGCC – zintegrowany proces zgazowania węgla w siłowniach cieplnych

1. Studnia2. System

wodociągowy3. System tlenowy4. Mieszanie tlenu z

wodą5. Odwierty głębinowe6. Obszar reakcji7. Wydobycie gazu8. Oczyszczalnia gazu9. CO2

10. Gazociąg

Podziemne zgazowanie węgla (stary projekt)

Rysunek ideowy podziemnego zgazowania węgla

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Kon

cent

racj

a ob

j. [%

]

CO CO2 H2 CH4 H2O N2

Zgazowanie powietrzne - 4 - 6 MJ/m3Zgazowanie tlenowe - 10 - 14 MJ/m3

Skład gazu uzyskiwany w wyniku zgazowania powietrznego i tlenowego

• wysokie stęŜenie wodoru

• wysokie stęŜenie CO, który moŜe byćłatwo przetworzony na wodór

• łatwiejsze oddzielenie CO2

PoŜądane: tlenowe zgazowanie węgla

Efektywne i ekologiczne wykorzystanie węgla w sektorze energetycznym

• zastosowanie systemów sprzęŜonych turbin gazowo-parowych (efektywność konwersji)

→ konieczność zgazowania węgla (systemy IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)

• w przyszłości wykorzystanie produktu zgazowania →→→→wodoru →→→→ w ogniwach paliwowych wodorowo-tlenowych (energetyka rozproszona)

• konieczność separacji i magazynowania CO2 (ekologia)

• węgiel jako surowiec zapewniający bezpieczeństwo energetyczne kraju

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)

Technologia przyszłościowa: termiczny rozkład wody

2H2O → 2H2 + O2

• Bezpośredni:

temperatura procesu: ok. 2500 °C (bardzo trudny do realizacji)

• Cykliczne procesy termochemiczne:

temperatura procesu: 500-900 °C, sprawność do 50%, około 200 typów procesów proponowanych, próby laboratoryjne: ok.20.

• Hybrydowe procesy cykliczne (jeden etap nie jest procesem chemicznym, np. elektroliza)

ŚcieŜki reakcji dla cyklicznego procesu termochemicznego typu

siarka-jod

Reaktor wysokotemperaturowy z pętla helową

10020.020.113.413.214.5Minimalny % strat

242 00057 15059 30038 35037 50041 280

Minimalne straty energii

kJ/kmol H2

WodaWęgielCięŜkie frakcje naftowe

NaftaLPG

(CH2.6)

Gaz ziemny(CH4)

10020.020.113.413.214.5Minimalny % strat

242 00057 15059 30038 35037 50041 280

Minimalne straty energii

kJ/kmol H2

WodaWęgielCięŜkie frakcje naftowe

NaftaLPG

(CH2.6)

Gaz ziemny(CH4)

Minimalne straty energetyczne ponoszone przy produkcji wodoru z udziałem róŜnych

surowców energetycznych/nośników energii

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)

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)

Magazynowanie i przesyłwodoru

298114>100Wodorki

alkaliczne (nieodwracalne)

298118150Wodorki kompleksowe

6570420Adsorpcja

29812max. 150Wodorki metali

21110071Ciekły wodór

29880013max. 33SpręŜony wodór

(zbiorniki kompozytowe)

Temperatura magazynowania

/ K

Ciśnienie wodoru/

bar

Procentowy udział masy wodoru w

masie urządzenia

/ %

Masa H2magazynowana

w 1 m3

urządzenia /kg m-3

Zjawisko wykorzystane do magazynowania

wodoru

Charakterystyka zbiorników wodoru wykorzystujących róŜne zjawiska do

magazynowania H2

Wymagania dla zbiorników wodoru w samochodach

ZagroŜenie:

• Metanol, eter dwumetylowy jako paliwa łatwe do efektywnego magazynowania

• Udoskonalenie technik magazynowania energii elektrycznej

Wysoka sprawnośćkonwersji energii

chemicznej wodoru w ogniwach paliwowych jako

bodziec rozwoju gospodarki wodorowej

Efektywność wytwarzania energii elektrycznej w róŜnych rodzajach generatorów prądotwórczych

Ogniwa paliwowe

Ogniwa galwaniczne

AkumulatoryKlasyczne Ogniwa przepływowe Ogniwa paliwowe

Trzeba naładować

Nie rozładowuje się gdy paliwo i

utleniacz dostarczane są do

OP

Rozładowanie

Ogniwa pierwotne

Recykling!

AkumulatoryKlasyczne Ogniwa przepływowe Ogniwa paliwowe

Trzeba naładować

Nie rozładowuje się gdy paliwo i

utleniacz dostarczane są do

OP

Rozładowanie

Ogniwa pierwotne

Recykling!

Ogniwo galwaniczne – bezpośrednia konwersja (przemiana) energii chemicznej paliwa na energięelektryczną

• utlenianie i redukcja zachodzą w róŜnychmiejscach urządzenia - na elektrodach (w reaktorach chemicznych paliwo i utleniacz reagująw całej objętości reaktora)

• elektrolit: rozdziela fizycznie procesy, zapewnia pośredni kontakt elektryczny między elektrodami za pośrednictwem jonów

Paliwo Utleniacz

Praca mechaniczna Elektryczność

ε = 0.12-0.20 ε = 0.35-0.65

Silniki spalania wewnętrznego Ogniwa paliwowe

Paliwo Utleniacz

Ciepło Ciepło

Bio-elektrochemiczne ogniwo paliwoweWęgorz elektryczny: ok. 500 V, ok. 1 A

Paliwa dla ogniw paliwowych

• GAZOWE

•WodórReforming gazu ziemnego, ropy naftowej, biogazuZgazowanie w ęglaZgazowanie biomasyElektroliza wody i rozkład termiczny wodyMetody biochemiczne

• Amoniak

• CIEKŁE

• Metanol

• Kwas mrówkowy

• Wodny roztwór glukozy

• STAŁE

• Węgiel

Woda + En. elektryczna → Wodór + Tlen

+-

H2 O2

Wodór + Tlen (pow.) → Woda + En. elektryczna

O2

- +

H2

Elektroliza wody

Ogniwo paliwowe

Elektrolit

Elektroliza wody a ogniwa paliwowe

Elektrolity

(brak przewodnictwa elektronowego, wyłącznie przewodnictwo jonowe):

• ciekłe

• wodne (wodne roztwory elektrolitów)

• niewodne (ciecze jonowe, np. sole stopione)

• stałe

• polimerowe (np.Nafion, Aciplex, Flemion)

• ceramiczne (np.ZrO2 stabilizowane Y2O3)

Dysocjacja jonowa

Elektrody:

• materiał o przewodnictwie elektronowym (mieszanym elektronowo-jonowym)

• porowate

• z materiału przyspieszającego reakcje elektrodową(elektrokatalizatora)

Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenkówElektrolit: ZrO2 dotowany Y2O3 (lub CaO).Temperatura pracy: 800-1000°C (wysokotemperaturowe)

1.35 kW

GlobalThermoelectric

(ostatnio zakupiony przez FCE)

Jak działa ogniwo paliwowe?

Przepływ utleniacza

Przepływ prądu

Dwustronna płytka separatoraAnodaElektrolit matrycowyKatodaDwustronna płytka separatoraAnoda

Przepływ paliwa

Budowa ogniwa paliwowego płaskiego

Ogniwo firmy Siemens-Westinghouse

anoda 100 -150 µmelektrolit 40 µmkatoda „nośna”

średnica 2,2 cmdługość 150 cm

Interkonektor

Elektrolit

Powietrzna katoda

Elektroda paliwowaPrzepływ powietrza

Przepływ paliwa

Ogniwo paliwowe o geometrii cylindrycznej

Schemat połączenia ogniw rurowych w wiązki

Oznaczenia: Nickel connector – ł ącznik (interkonektor) niklowy

•rodzaj elektrolitu

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; IntermediateTemperature SOFC = ITSOFC)

•temperatura pracy

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)

Podstawą kwalifikacji

ogniw paliwowych jest:

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

Pierwsze zastosowania

Misja Gemini

Misja Apollo

Generatory stacjonarne z ogniwami paliwowymi

Wczesne zastosowania ogniw paliwowych

Lata 1972-2000

Generatory stacjonarne

PAFC

Tanie materiały węglowe jako podstawowe materiały stosowane w ogniwach paliwowych z kwasem fosforowym (PAFC)

1977 – 1MW (UTC, South Windsor, USA)

1983-5 – 4.5 MW (TEPCO, Goi, Japonia)

1991 – 11 MW (TEPCO, Goi, Japonia)

Pierwszy komercyjny stacjonarny generator

energii z OP- PC 25, cena: ok. 900 000 USD

� paliwo: metan� P: 200 kW

�� hhelel.: 40 % ; h.: 40 % ; h cc: 60 % : 60 % (40%)� t: 36 246 h w tym tc: 9 477 h� poziom hałasu: ok. 60 dB� producent: ONSI (Toshiba)� emisja NOx < 10 ppm

Rozmieszczenie urządzeń w module PC25 i zmiany gabarytów modeli

Falownik

Konwertor paliwa

Stos O.P.

Wymagania instalacyjne PC25

Przykład zastosowania (nie do końca udany)

moc elektryczna 200 kWmoc cieplna 220 kWzuŜycie gazu ziemnego,max 54 Nm3/hwydajność elektryczna 40 %wydajność całkowita 80 %

2 x PC 25

Rozmieszczenie generatorów PC 25 testowanych przez Ministerstwo Obrony

Stanów Zjednoczonych

Zespół generatorów PC 25 o mocy 1 MW w Anchorage (Alaska) zasilający

miejscowy urząd pocztowy

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

Wyniki testu

�Liczba godzin przepracowanych przez wszystkie instalacje: 614 658 (średnio 2.4 roku/instalacje)

�Typ PC 25B:

bezobsługowe działanie: 54 % czasu całkowitegookres między wyłączeniami: 1518 h

sprawność elektryczna: 33-40 %

spadek napięcia 7%/1000 h�Typ PC 25C:

bezobsługowe działanie: 77 % czasu całkowitego

okres między wyłączeniami: 1541 hsprawność elektryczna: 32-38%

spadek napięcia 5%/1000 h

Pure Cell 200 (UTC):1. Reformer gazy ziemnego; 2. Ogniwo paliwowe, 3.

Falownik, 4. Urządzenia kontrolne

Ballard Mk6000 (PEFC), 250 kW. Testy zawieszone.

Charakterystyka jednostki stacjonarnej Ballard Mk6000 (generator na zasadzie

PEFC)

��Planowana moc:Planowana moc: 250 250 kWkW

��Parametry pracy Parametry pracy pojpoj. . ognogn.. 0.78 V przy 330 0.78 V przy 330 mAmA/cm/cm22

�� Liczba ogniw w stosie:Liczba ogniw w stosie: 688688

��NapiNapięęcie pracy:cie pracy: 535 V DC535 V DC

��NapiNapięęcie bez obcicie bez obciąŜąŜenia:enia: 700 V DC700 V DC

��Planowana sprawnoPlanowana sprawnośćść 40 % (36 % ?)40 % (36 % ?)

��Wymiary:Wymiary: 1.41 m x 1.68 m x 2.16 m1.41 m x 1.68 m x 2.16 m

��MasaMasa 5080 kg5080 kg

��CiCiśśnienie robocze:nienie robocze: 517 517 kPakPa

��Zasilanie: Zasilanie: Gaz ziemny (propan, wodGaz ziemny (propan, wodóór)r)

IHI (Japonia) 250 kW

Wysokotemperaturowe węglanowe ogniwo paliwowe:

Gaz syntezowy ze zgazowania węgla paliwem

300kW MCFC module300kW MCFC module

Stos 300 kW przed montaŜemSystem demonstracyjny

300kW

Test w Santa Clara. Generator 2 MW (EnergyResearch Corporation). 04. 1996 – 02. 1997

��Zasilanie: Gaz ziemnyZasilanie: Gaz ziemny

��2 MW = 720 h2 MW = 720 h

��1 MW = 4570 h1 MW = 4570 h

��Energia wytworzona: 2500 Energia wytworzona: 2500 MWhMWh

��SprawnoSprawnośćść elektryczna: elektryczna: 43.6 %43.6 %

��Koszt: 46 Koszt: 46 mlnmln US US doldol

Test w Kawagoe. Generator 1 MW (IHI i Hitachi).

08. 1999 – 01. 2000.

��Zasilanie: Gaz ziemnyZasilanie: Gaz ziemny

��1 MW = 4916/2669 h1 MW = 4916/2669 h

��Energia wytworzona: 2103 Energia wytworzona: 2103 MWhMWh

��SprawnoSprawnośćść elektryczna: 45 %elektryczna: 45 %

��Spadek napiSpadek napięęcia: 0.5cia: 0.5--0.7%/1000 h0.7%/1000 h

��NapiNapięęcie pracy cie pracy pojpoj. . ognogn. 0.763 . 0.763 --0.786 V0.786 V

��GGęęstostośćść prprąądu: 92du: 92--120 120 mAmA/cm/cm22

��Utylizacja paliwa: 76 %Utylizacja paliwa: 76 %

��CiCiśśnienie pracy: 0.49 nienie pracy: 0.49 MPaMPa

2005: HotModule (MTU CFC Solutions) w szpitalu Rhön-Klinikum w Bad Neustadt

przepracowało 25 tys. godzin

Moc elektryczna: 250 kW

Moc cieplna: 190 kW

Zastosowania stacjonarne

Moduł MCFC w GuerickeUniversity 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

Generatory f-my Fuel Cell Energy (FCE), DFC

DFC3000= 2MW

DFC1500=1MW

DFC300=250kW

Test OP typu SOFC - Westervoort

I. kw.1998 -12. 2000.

�� zasilanie: gaz ziemny zasilanie: gaz ziemny

(konwersja wewn(konwersja wewnęętrzna do Htrzna do H22 i CO)i CO)

�� Siemens Siemens WestinghouseWestinghouse

�� PPt t / / PPrzrz--110 / 100 110 / 100 kWkW

�� t: 16 612 h (w tym tt: 16 612 h (w tym tc:c:12 600 h )12 600 h )

�� przerwa remontowa po t: 3700 hprzerwa remontowa po t: 3700 h

�� h h elel: 46 %: 46 %

�� h h elel+ c+ c: 75 %: 75 %

�� liczba ogniw : 1152liczba ogniw : 1152

Systemy sterowania ciepłem

Wylot gazów

Moduły elektryczne

Stos OP

Rekuperatory

Powietrze

Paliwo (gaz ziemny)

220kW 300 kW

Siemens-Westinghouse: SOFC + Mikroturbina

Jakie koszty?

Warunki ekonomiczne komercjalizacji generatorów z ogniwami paliwowymi

(cel):

• generatory stacjonarne:

1000 –1500 USD/kW 40 000-50 000 h

• generatory do nap ędu samochodów

50 USD/kW 5 000-8 000 h

Obecne ceny:

Generatory stacjonarne skomercjalizowane• PC25 (PureCell200)

Generator 4 000 USD/kW

Generator z dotacją państwową (USA) 3 000 USD/kW

Generator zainstalowany i pracujący 5 000 USD/kW

Koszt eksploatacji: 0.005-0.010 USD/kWh

(porównywalny z mikroturbiną)

Czas pracy: 40 000 h

Obecne ceny:

Generatory stacjonarne tuŜ przed komercjalizacją

• Hot Module (MTU) Obecnie W przyszłości

Stos ogniw paliwowych MCFC 3 000 USD/kW 750 USD/kW

Generator 7 000 USD/kW 1 500 USD/kW

Czas pracy: > 23 000 h

Gaz ziemny

Powietrze

Ogniwo paliwowe

Zbiornik ciepłej wody

Reformer

Ogrzewanie powietrzne

Ciepła woda

Elektryczność

Energetyka rozproszona

Reformer gazu ziemnego

Stos ogniw paliwowych

PEMFC

Odsiarczanie paliwa

NawilŜacz

Panel sterowania

„Grzewcze ogniwo paliwowe” f-my Vaillant + Plug Power

Ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenkówElektrolit: ZrO2 dotowany Y2O3 (lub CaO).Temperatura pracy: 800-1000°C (wysokotemperaturowe)

1.35 kW

GlobalThermoelectric

(ostatnio zakupiony przez FCE)

Ogniwo tlenkowe HXS 1000 Premierefirmy 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 25-30 %, docelowo > 30 %

• Sprawność całkowita ok. 85 %

Samochody elektryczne

Pierwszy samochód napędzany OP

Data Wytwórnia Model Technologia Paliwo1966 Karl Kordesch Austin A40 Union Carbite SpręŜony wodór

sedan 6 kW, AFC 320 km

� Toyota FCHV 4� Rok 2001� P: 90 kW�� czas rozruchu: 10 sczas rozruchu: 10 s�� vvmaxmax: 150 km/h: 150 km/h�� zasizasięęg: 350 kmg: 350 km

�� HondHondaa FCXFCX--V3V3

� Rok 2001� P: 78 kW�� czas rozruchu: 10 sczas rozruchu: 10 s�� vvmaxmax: 140 km/h: 140 km/h�� zasizasięęg: 330 kmg: 330 km

Samochody z OP r. 2001

Samochody niestandardowe

Samochody obecnie:

wył ącznie produkcja prototypowa

• Honda FCXwypo Ŝyczenie miesi ęczne: 8000 USD

wypo Ŝyczenie roczne: 88 000 USD

Cena planowana za 10-15 lat: 27-36 000 USD

Koszty

Sprawność eksploatacyjna samochodów elektrycznych z akumulatorami i ogniwami paliwowymi (”Grid-to-wheel” efficiency)

ZagroŜenie:

• Sprawność nowoczesnych elektrowni cieplnych zbliŜa siędo sprawności ogniw paliwowych. Elektrownie cieplne – technologia dojrzała

• Sprawność wykorzystania energii elektrycznej w samochodach z akumulatorami ok.3x większa niŜ dla samochodów z ogniwami paliwowymi.

Autobus Man 2001

P: 120 kW; l:300 km; vmax:75 m/h

Mercedes Citaro

�� 2001

�� P-250 KW

� zasięg: 300 km

�� v max.: 80 km/h

Autobusy z ogniwami paliwowymi

Zastosowania wojskowe i niszowe

Okręt podwodny typu 212A

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

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: 30-40 km/h ( maks.270 km/h)

• Wysokość lotu: maks. 30000 m

Materiały: głównie włókna węglowe i styrofoam. Skrzydła pokryte specjalnąplastikową tkaniną

26 czerwca 2003 roku podczas lotu testowego Helios zanotowałproblemy ze sterowaniem. W następstwie doznał uszkodzeństruktury płatu, co doprowadziło do katastrofy.

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 u Ŝytku lub 8,16 kg baterii pierwotnych

Program Land Warrior

• 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%

Urządzenie z OP (RMFC) firmy UltraCell

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)

SzybkoSzybkośćść utleniania (spalania) wutleniania (spalania) węęgla dugla duŜŜo o niniŜŜsza nisza niŜŜ szybkoszybkośćść utleniania (spalania) utleniania (spalania)

wodoru wodoru

Węgiel (utlenianie węgla i produktów pirolizy) Wodór (utlenianie)

Samoistne procesy utleniania węgla →→→→ wysoka temperatura

Utlenianie węgla w OP →→→→ efektywne w OP wysokotemperaturowych

Układy odpowiednie dla ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem węgla

• alkaliczne 65-220°C czyste H2

• polimerowe 90 °C H2, CH3OH, CO<50 ppm

• z kwasem fosforowym 200-220 °C H2, CO<0.5%

• ze stopionymi węglanami 650 °C H2, CO

• stałotlenkowe 700-1000 °C H2, CO

Temperatura Paliwo pracy

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!

Schemat ogniwa paliwowego z bezpośrednim utlenianiem węglaElektrolit tlenkowy

Węgiel

Anoda

O2-

C + 2O2- → CO2 + 4e-

O2 + 4e- → 2O2-

Elektrolit

Katoda (tlen)

CO2

O2

Sprawność ogniwa paliwowego

ε = ε = ε = ε = εεεεTh εεεεV εεεεF U

εεεεTh – sprawność termiczna = ∆Gr /∆Ηr

εεεεV – sprawność napięciowa = V/SEM

εεεεF – sprawność faradajowska = irzecz/i f

U-wykorzystanie paliwa, np. H2in/H2out

paliwa) chemiczna (energia adostarczon energiaa)elektryczn (energia otrzymana praca ==== εεεε

Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa paliwowego

Siła elektromotoryczna ogniwa (napięcie rozwartego ogniwa)

Polaryzacja aktywacyjna

Polaryzacja stęŜeniowa

Polaryzacja omowa

Dominacja polaryzacji aktywacyjnej

Dominacja polaryzacji omowejDominacja polaryzacji stęŜeniowej

E

j

Sprawność elektryczna ogniw paliwowych w zaleŜności od uŜytego paliwa (750°°°°C)

ε = ε = ε = ε = εεεεTh εεεεV εεεεF U

0.570.81.00.80.895CH4

0.45(0.35-0.65)

0.81.00.80.70H2

0.801.01.00.81.003C

εεεεUεεεεFεεεεVεεεεTh

Rozwiązania praktyczne: skala laboratoryjna

Zasilanie węglem

Rura korundowa

Zasilanie powietrzem

Separator

Kolektor anody

Przewody do katody

Kolektor katody

do anodyNapełnianie pneumatyczne

Węgiel + węglany

Anoda C

Elektrolit

Katalizator katody

Propozycje rozwiązań praktycznych

Anoda wejście

Katoda wejście

Komora anodowa

Wylot gazów anodowych

Wylot gazów katodowych

Zbiornik ściekowy

Pozwala na okresową wymianę elektrolitu

Utrzymuje zwilŜalność paliwa węglowego w trakcie jego zuŜywania

Zalety węgla jako paliwa

Paliwo + O2 →→→→ Spaliny + Energia

Węgiel 20.0 kWh l-1

Wodór 2.4

Gaz ziemny 4.0

Benzyna 9.0

Olej napędowy 9.8

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:

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

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

Telefon Toshiba-

zasilacz - 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 razywiększa niŜ DMFC

Telefon Toshiba-

zasilacz - 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 razywiększa niŜ DMFC

Metanolowe ogniwo paliwowe (polimerowe)

Zintegrowane ogniwo paliwowe zasilane kwasem mrówkowym z aparatem

komórkowym (TEKION)

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