1 / 51

MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi

MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi. Kurs-uke 11. Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo truls.norby@kjemi.uio.no. Forenklet energi-flytdiagram med hydrogen.

armina
Download Presentation

MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11Konvertering og lagring av energi Kurs-uke 11 • Truls Norby • Kjemisk institutt/ • Senter for Materialvitenskap • Universitetet i Oslo • Forskningsparken • Gaustadalleen 21 • N-0349 Oslo • truls.norby@kjemi.uio.no MEF 1000 – Materialer og energi

  2. Forenklet energi-flytdiagram med hydrogen Ikke-fornybare Fornybare Kjerne- kraft Geo- varme Solenergi direkte indirekte Kilder Fordeling Lagring Transport Bruk Fossile brensel Sol- varme Foto- voltaisk Bio Vind, bølge, m.m. Vann- kraft Elektrolyse Hydrogen Brenselcelle Motor Varme Elektrisitet MEF 1000 – Materialer og energi

  3. Fra strømning til rotasjonTurbiner; ”propeller” • Vindmøller • Vann-”møller” MEF 1000 – Materialer og energi

  4. Fra strømning til rotasjonTurbiner for vannkraftverk • Fristråleturbin • Store fallhøyder • Fullturbin • Skovler • ”Propell” • Liten fallhøyde, stor vannføring MEF 1000 – Materialer og energi

  5. Turbiner for ekspanderende gasser • Dampturbin • Kjel • Gassturbin • Brennkammer • Turbin • Kompressor MEF 1000 – Materialer og energi

  6. Fra kjemisk til mekanisk energi; roterende motorerGassturbinJetmotor MEF 1000 – Materialer og energi

  7. Fra kjemisk til mekanisk energi; reverserende motorerDampmaskinen MEF 1000 – Materialer og energi

  8. Fra kjemisk til mekanisk energiForbrenningsmotorer • Reverserende • Velkjent • 1…n sylindre, 2- eller 4-takter • Otto • Eksplosjon tennes med gnist • Diesel • Eksplosjon skjer ved tilstrekkelig kompresjon • Roterende • Wankel MEF 1000 – Materialer og energi

  9. Sterlingmotoren • Lukket gassmengde • Ekstern oppvarming og avkjøling • Kan bruke mange energityper; alt som avgir varme: brensel, elektrisitet, solvarme… • I prinsipp effektiv og stillegående MEF 1000 – Materialer og energi

  10. Virkningsgrad (effektivitet) • = avgitt effekt dividert på tilført energi per tidsenhet • energi oftest lik varmeinnholdet (reaksjonsentalpi) for brenselet • Typisk 20% (bil) til 50% (gassturbin) • Tap: • Irreversibel termodynamikk, Carnotsyklus • Varmetap • Ufullstendig brenselutnyttelse • Friksjon • Tomgang MEF 1000 – Materialer og energi

  11. Avgassrensing og -kontroll • For mye luft: NOx • For lite luft: Hydrokarboner og sot • Feedback til motor og forgasser fra • Lambdasensor (pO2) • NOx-sensor MEF 1000 – Materialer og energi

  12. Fra mekanisk til elektrisk energi (og omvendt)Generatorer og elektromotorer • Generator • Spole beveges i forhold til permanentmagneter: Strøm genereres • Sykkeldynamo • Bildynamo • Generator i kraftverk • AC • Elektromotor • Strøm sendes gjennom spole som kan beveges i forhold til permenentmagneter: Bevegelse genereres • AC, DC • Transportmidler • Elbil-motor • Starter • Pumper, osv… MEF 1000 – Materialer og energi

  13. Fra elektromagnetisk stråling (lys) til elektrisitetFotovoltaiske celler - solceller • Krystallinsk silisium (wafers) • 10-20% effektivitet • Amorft silisium • 5-10% effektivitet • Mindre materialforbruk • Kan innbakes i polymerer; fleksible celler • GaAs • Mer egnet båndgap • Dyrere teknologi • Tandemceller • Kombinasjon med solvarmefangere MEF 1000 – Materialer og energi

  14. Fra lys til elektrokjemiske prosesserFotoelektrokjemiske celler • Fotogalvanisk • Spenning ved lys på elektrode • Fotoelektrolytisk • Spalter vann direkte • Fotobiologisk (fotosyntese) • Grätzel-celler Ledende glasselektroder Halvleder (nano-TiO2) Adsorbert fargestoff (”dye”) Elektrolytt Redokspar (I- / I3-) MEF 1000 – Materialer og energi

  15. Fra kjemisk til elektrisk energiBrenselceller • Sir William R. Grove, 1939 • H2 + ½ O2 = H2O • Svovelsyre som elektrolytt • H2 og O2 som brensel • Kunne også spalte vann (elektrolysør) MEF 1000 – Materialer og energi

  16. Mange typer brenselcellerEksempler: H2 + luft MEF 1000 – Materialer og energi

  17. e- Brenselcelle med rent protonledende elektrolyttProton Conducting Fuel Cell (PCFC) H2 + ½O2 = H2O poly-benzimidasol CsHSO4 Y-dopet BaCeO3 - + O2 + N2 H2 anode H+ ione-leder O2 N2 H2O H2 H2O + N2 MEF 1000 – Materialer og energi

  18. Fosforsyre-brenselcellePhosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) • 160-220°C • 40-45% effektivitet • Elektrolytt: kons. H3PO4 • Er en H3O+-leder • Vann må sirkuleres • Elektroder: Porøs C + Pt • Brensel: H2 eller pre-reformerte fossile brensel (H2+CO, CO2) • Kraftverk i MW-klassen operative • Korrosjonsproblemer MEF 1000 – Materialer og energi

  19. Polymer-elektrolytt-brenselcelle • 50-85°C • 45-50% effektivitet • Elektrolytt: Nafion® og lignende • Er en H3O+-leder + drag av ca 5H2O • Vann må sirkuleres • Elektroder: Porøs C + Pt • Brensel: Rent H2 • Kommersielle i mange sammenhenger • Katalysatorforgiftning (CO) • Pris MEF 1000 – Materialer og energi

  20. MEF 1000 – Materialer og energi

  21. MEF 1000 – Materialer og energi

  22. Pro’s Generelt for brenselceller Miljøvennlig Effektiv Fleksibel Modulær Spesielt for PEMFC Rask oppstart Mekanisk robust Con’s Komplisert teknologi Dyrt Nafion Pt Må ha rent H2 som brensel CO-passivering Transport, lagring Lav verdi på spillvarme PEFC • Forskning • Høyere temperatur (mindre Pt, høyere CO-toleranse) • Systemer uten vann (N som proton-vert istedet for O) • Nye polymerer • Nanostruktur i elektroder (mindre Pt nødvendig) MEF 1000 – Materialer og energi

  23. Direkte metanol-brenselcelleDMFC • 50-85°C • 45-50% effektivitet • Elektrolytt: Nafion® og lignende • Elektroder: Porøs C + Pt/Ru • Brensel: CH3OH(aq) • Lav effektivitet • Løselighet av metanol i elektrolytten; kjemisk kortslutning • God brukervennlighet MEF 1000 – Materialer og energi

  24. Alkalisk brenselcelle • 60-90°C • 40-50% effektivitet • Elektrolytt: KOH(aq) • OH- -ioneleder • H2O må sirkuleres • Elektroder: Porøs C + Pt • Brensel: Rent H2 • Tidlig konsept • Brukt i Apolloferdene • London-drosjer MEF 1000 – Materialer og energi

  25. Smeltekarbonat-brenselcelle(MCFC) • 600-650°C • 45-60% effektivitet • Elektrolytt: M2CO3 • (sugd opp i porøs LiAlO2) • CO22--leder • CO2 må sirkuleres • Elektroder: • Ni anode • Li-dopet NiO katode (p-leder) • Brensel: Alle • Korrosjon MEF 1000 – Materialer og energi

  26. e- - + CH4 H2O H2 CO H2O CO2 anode O2 N2 O2- ioneleder CO2 H2O N2 Fastoksid-brenselcelle - Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O O2 + N2 MEF 1000 – Materialer og energi

  27. Punktdefekter MEF 1000 – Materialer og energi

  28. Punktdefekter MEF 1000 – Materialer og energi

  29. Katode La1-xSrxMnO3 (LSM) e- Bipolar plate Stål La1-xCaxCrO3 Tettinger Glass/glasskeramer Anode Ni-YSZ Elektrolytt Zr1-xYxO2-x/2 (YSZ) Katalysatorer SOFC materialer - + O2 + N2 CH4 H2O H2 CO H2O CO2 anode O2 N2 O2- ioneleder CO2 H2O N2 MEF 1000 – Materialer og energi

  30. Eksempel på mikrostruktur MEF 1000 – Materialer og energi

  31. Rørdesign MEF 1000 – Materialer og energi

  32. Siemens-Westinghouse-installasjoner MEF 1000 – Materialer og energi

  33. Planart design MEF 1000 – Materialer og energi

  34. MEF 1000 – Materialer og energi

  35. Rolls Royce designSeriekoblede fragmenter, silketrykket på flate rør MEF 1000 – Materialer og energi

  36. Pro’s Generelt for brenselceller Miljøvennlig Effektiv Fleksibel, modulær Spesielt for SOFC Brensel-tolerant Høy verdi på spillvarme Integrasjon i prosesser Con’s Komplisert teknologi Dyrt Avanserte keramer Sjeldne grunnstoffer Mekanisk lite robust Lang oppstartstid Degradering ved høy temperatur SOFC • Forskning • Lavere temperatur (mindre korrosjon, rimeligere bipolare plater) • Tynnere lag. Bedre katalysatorer. • Nye materialer. Protonledende oksider. • Prosessintegrasjon. Kombinerte el-varme anlegg med brenselcelle og gassturbin. MEF 1000 – Materialer og energi

  37. Fukteledd/damp Reformere (fossile brensel) Varmevekslere Pre-heating (luft) Conditioning (el) Fra likestrøm til vekselstrøm: Inverter Periferikomponenter rundt en brenselcelle MEF 1000 – Materialer og energi

  38. Potensial og effekt vs strøm for en brenselcelle • Eksempel: • 1 mm tykk YSZ elektrolytt • Ca-dopet LaCrO3 elektroder • H2 + luft • Brenselutnyttelsesgrad? • Elektrisk effekt og virkningsgrad: • Pe = G uf Pin MEF 1000 – Materialer og energi

  39. Elektrisk effekt og virkningsgrad • Pe = G uf Pin • Pe / Pin = G uf • G = wel / wtot = G / H • Teoretisk kan G være >100% MEF 1000 – Materialer og energi

  40. MEF 1000 – Materialer og energi

  41. Brenselceller; egenskaper • Ingen flamme – direkte fra kjemisk til elektrisk energi • Mindre NOx • I prinsippet Gibbs energi; ingen Carnot-syklus • men andre tapsledd • Fleksible • Modulære • Støyfrie • Mer effektive ved varierende effektuttak MEF 1000 – Materialer og energi

  42. Elektrolysører • Reversert brenselcelle • AFC og PEFC-deriverte typer mest utbredt • Norsk Hydro Electrolyzers AS • AFC • Bensinstasjoner med elektrolysør; fra elektrisitet til H2 on-site • UiO/HiA: Nanokrystallinske NiPx, NiBx, NiSx for katoder i elektrolysører MEF 1000 – Materialer og energi

  43. Lagring av elektrisk energiKondensatorer • Platekondensator • Keramisk kondensator (dielektrika, ferroelektrika) • Elektrolyttkondensator • Utnytter elektrokjemiske dobbeltlag mellom en elektrolytt og en elektrode • Super/ultra-kondensatorer • Forbedrede elektrolyttkondensatorer • Nano-karbonpartikler • Nano-metalloksidpartikler • Hybride kondensatorer/batterier MEF 1000 – Materialer og energi

  44. Superkondensatorer • Raske effektuttak i elektriske transportmidler MEF 1000 – Materialer og energi

  45. Lagring av elektrisitetElektrokjemisk konvertering; akkumulatorer • Primære batterier • Energien lagres av fabrikken • Kastes/resirkuleres etter bruk • Sekundære batterier = akkumulatorer • Kan reverseres; lades opp MEF 1000 – Materialer og energi

  46. Neste generasjon akkumulator; Li-ion-polymer MEF 1000 – Materialer og energi

  47. Metall-luft-batterier • Blanding av batteri og brenselcelle • Brensel: Metallstaver • Al, Zn, Mg • Oksidant: Luft evt. luft løst i vann MEF 1000 – Materialer og energi

  48. Lagring av strøm i superledere • Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) • Likestrøm induseres i en tykk, superledende ring (tyroid) • Fortsetter å gå ”uendelig” • Kan tas ut ved behov; induserer da strøm i den utenforliggende spolen • Brukes i UPS (Uninterruptible Power Supplies) for oppstart+noen sekunder etter strømbrudd • Dyrt, men bra! MEF 1000 – Materialer og energi

  49. Hydrogen – fremtidens energibærer • Men lagring og transport er dyrt • Gass • Flytende • Hydrogenlagringsmaterialer • Metaller og legeringer • Alanater, boranater • Nanokarbon • Hybridmaterialer • Flytende hydrogenbærere • Alkoholer og andre C-holdige • NH3 og andre N-holdige MEF 1000 – Materialer og energi

  50. Andre energilagringsmetoder • Makanisk potensiell energi • Lufttrykk – tomme gruveganger • Vanntrykk – pumping opp til bassenger og sjøer • Mekanisk kinetisk energi • Løpehjul (flywheel) • Superledende magnetisk friksjonsfri opplagring • Sikkerhetsaspekt • Termisk • Varmekapasitet • Faseomvandlingsmaterialer MEF 1000 – Materialer og energi

More Related