Τεχνολογίες Επεξεργασίας Αέριων Εκπομπών, ΜΗΠΕΡ 2013

1. Τεχνολογίες Επεξεργασίας Αέριων Εκπομπών, ΜΗΠΕΡ 2013 Τίτλος Διάλεξης: Εναλλακτικές (Αντιρρυπαντικές) Τεχνολογίες.

2. Κάποιες εναλλακτικές τεχνολογίες • Τεχνολογία κινητήρων φτωχής καύσης (Lean-Burn Engines) • Τεχνολογία κινητήρων Υδρογόνου. Αυτοκίνητα υδρογόνου-zero emission cars • Φυσικό αέριο: Καινοτόμες τεχνολογίες ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗΣ: ΑΝΤΙΡΥΠΑΝΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΣΥΜΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ

3. Κινητήρες lean-burn Είναι πρωτοποριακοί από άποψη απόδοσης ανά ποσότητα χρησιμοποιημένου καυσίμου. Λειτουργούν σε περίσσεια αέρα (>5%) με αποτέλεσμα την πλήρη καύση του καυσίμου, και την ελαχιστοποίηση των εκπομπών άκαυστων H/Cs και CO Μειονεκτούν στο γεγονός ότι τα καυσαέριά τους περιέχουν αυξημένες ποσότητες NOx (θερμικού) υπό την παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων Ο2 (~5%).

4. Λειτουργία σε συνθήκες Lean burn Πλεονεκτήματα • Μειωμένη εκπομπή CO και HCs • Σημαντική οικονομία σε καύσιμο • Μειωμένη εκπομπή CO2 ανά Km κίνησης του αυτοκινήτου Μειονεκτήματα • Αυξημένη εκπομπή ΝΟΧ

5. Διαχείριση καυσαερίων κινητήρων lean-burn • Δυστυχώς οι κλασσικοί TWCsδεν μπορούν να διαχειριστούν τα καυσαέριά τους (λόγω περίσσειας Ο2). • Δεν έχει βρεθεί μέχρι σήμερα κατάλληλος καταλύτης που να έχει ικανοποιητική απόδοση σε συνθήκες καυσαερίων lean burn (προσομοίωση: 1000ppm NO, 1000ppm C/Hs, 5% O2) • Προσπάθειες Περιβαλλοντικής κατάλυσης: (i) Σε υλικά με βάση ζεόλιθους (ii) Σε υποστηριγμένους καταλύτες ευγενών μετάλλων

6. Καινοτόμα υλικά για την αντιμετώπιση των καυσαερίων κινητήρων lean burn (i) Ζεόλιθοι Πλεονεκτήματα: • Παρουσιάζουν υψηλή ενεργότητα κατά την αναγωγή των NOx Μειονεκτήματα : • Χαμηλή θερμική σταθερότητα παρουσία H2O • Δηλητηρίαση παρουσία SO2 • Υψηλή εκλεκτικότητα προς το ανεπιθύμητο CO

7. Καινοτόμα υλικά για την αντιμετώπιση των καυσαερίων κινητήρων lean burn (ii) Υποστηριγμένοι καταλύτες ευγενών μετάλλων Πλεονεκτήματα: • Υψηλή ενεργότητα κατά την αναγωγή των NOx • Αντοχή σε δηλητήρια (π.χ. SO2) • Θερμική σταθερότητα παρουσία H2O Μειονεκτήματα : • Υψηλή τάση προς παραγωγή N2O αντί N2 • Στενό θερμοκρασιακό παράθυρο λειτουργίας

8. Σύγχρονες τάσεις ερευνάς στον τομέα των κινητήρων lean burn • Τροποποίηση των καταλυτικών ιδιοτήτων των ευγενών μετάλλων (Pt, Pd, Rh) έτσι ώστε να εμφανίζουν : • αυξημένη εκλεκτικότητα ως προς Ν2 παρά σε Ν2Ο • διευρυμένο θερμοκρασιακό παράθυρο λειτουργίας

9. Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2 Μετατροπή προπυλενίου Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,

10. Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2 Συνολική μετατροπή ΝΟ • Η προσθήκη Na οδηγεί σε : • Μετατόπιση των καμπυλών σε χαμηλότερες θερμοκρασίες • Διεύρυνση στο θερμοκρασιακό παράθυρο μετατροπής του ΝΟ Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,

11. Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2 Μετατροπή NO σε Ν2 • Η προσθήκη Na οδηγεί σε : • Αύξηση της μετατροπής • Μετατόπιση των καμπυλών σε χαμηλότερες θερμοκρασίες • Διεύρυνση στο θερμοκρασιακό παράθυρο μετατροπής του ΝΟ σε Ν2 Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,

12. Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2 Μετατροπή NO σε Ν2Ο και ΝΟ2 Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,

13. Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2 Εκλεκτικότητα προς Ν2 , Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,

14. Στον βαθμό που δεν θα μπορέσει η περιβαλλοντική κατάλυση να βρει επαρκή λύση για τον έλεγχο των καυσαερίων κινητήρων lean-burn, οι πρωτοποριακοί αυτοί κινητήρες θα μένουν στο περιθώριο.

15. Εναλλακτικές τεχνολογίες AυτοκίνηταΥδρογόνου ή Αυτοκίνητα μηδενικών εκπομπών (Zero Emissions Cars)

16. Που βασίζεται η τεχνολογία των αυτοκινήτων H2; Στις κυψέλες καυσίμου οι οποίες θα χρησιμοποιούν ως καύσιμο Η2 και θα παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ικανή να τροφοδοτήσει τον ηλεκτροκινητήρα του αυτοκινήτου

17. Ποιοι λόγοι οδήγησαν στην ανάπτυξη των υδρογονο-αυτοκινήτων; • Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας των κυψελίδων καυσίμου. • Το Η2 είναι καθαρό καύσιμο, η χρήση του δεν οδηγεί σε σχηματισμό CO2(έλεγχος φαινομένου Θερμοκηπίου) • Έχει υψηλότερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με την βενζίνη • Βρίσκεται εν αφθονία στη φύση (HCs, Η2Ο)

18. Ποια προβλήματα σχετίζονται με την χρήση του Η2; • Εξεύρεση λύσης ομαλής μετάβασης προς την νέα τεχνολογία, από την καλά εγκαθιδρυμένη τεράστια βιομηχανία αυτοκινήτων και παραγωγής συμβατικών καυσίμων που καθορίζουν την οικονομία του πλανήτη, και προς το παρόν αντιστέκονται. • Χρειάζεται μεγάλο όγκο αποθήκευσης (σε αέρια μορφή απαιτούνται 11Lt για την αποθήκευση 1 gr Η2) Λύση :υγροποίηση του Η2 ; Απαιτείται ενέργεια ίση με το 40% της ενέργειας που περιέχεται στο Η2 (υγροποιείται στους -253 oC). 3. Είναι πολύ μικρό, ευκίνητο και διαβρωτικό μόριο με αποτέλεσμα να διαφεύγει εύκολα από το ρεζερβουάρ (ρεζερβουάρ 200 Lt αδειάζει σε 10 ημέρες).

19. Ποια προβλήματα σχετίζονται με την χρήση του Η2; 4. Δημιουργία υποδομής για διάθεση H2 • Η μετάβαση από ένα επί σειράς ετών σύστημα ενέργειας που βασίζεται στο πετρέλαιο και τα παράγωγά του απαιτεί τεράστιες επενδύσεις καθώς και σημαντικά βήματα προς την κατεύθυνση αυτή από κυβερνήσεις και παραγωγούς • Οι τεχνικές δυσχέρειες, καθώς και το μεγάλο κόστος σε όλα τα επίπεδα της παραγωγής, της διανομής και της αποθήκευσης θέτουν την εποχή μετάβασης του υδρογόνου σε μακρινό ορίζοντα

20. Ποια προβλήματα σχετίζονται με την χρήση του Η2; 5. Η παραγωγή του H2 • Από αναμόρφωση HCs (κυρίως Φ.Α.) (συνοδεύεται από τα μειονεκτήματα που σχετίζονται με τη χρήση συμβατικών καυσίμων-εκπομπή CO2) • Από ηλεκτρόλυση του Η2Ο (Σημαντικό μειονέκτημα: απαιτούνται τεράστια ποσά ενέργειας-εκτός εάν αυτή παρέχεται από ΑΠΕ) • Η μεταφορά του Η2 (εμπεριέχει υψηλή επικινδυνότητα. Δεν έχουν λυθεί τα τεχνολογικά ζητήματα ασφάλειας που σχετίζονται με αυτήν)

21. Η2: Πολλά τα τεχνολογικά και οικονομικά ζητήματα. Υπάρχει φως? • Η σημαντική επιβάρυνση που δέχεται ο πλανήτης από τη χρήση συμβατικών καυσίμων καθιστά αναγκαία την χρήση της νέας αυτής καθαρής τεχνολογίας. • Η πίεση των κοινωνικών φορέων κάμπτει τις αντιστάσεις και αναγκάζει τους οικονομικούς παράγοντες του πλανήτη να το θέσουν στο σχέδιό τους. Η έρευνα στην τεχνολογία Η2 καλπάζει τα τελευταία χρόνια.

22. Τι είναι το Φυσικό Αέριο? Αποθέματα: ~140.000 τρισεκατομμύρια m3 (εκτιμάται ότι θα αρκέσουν >2πλάσιο χρόνο από ότι τα αποθέματα πετρελαίου) Φυσικό Αέριο. Μια εναλλακτική πηγή ενέργειας τον 21ο αιώνα? Τυπική σύσταση Φ.Α. σε κάποιες χώρες παραγωγής του

23. Φυσικό Αέριο: Γιατί μια καθαρότερη πηγή ενέργειας? • Πριν την μεταφορά του το Φ.Α. υπόκειται σε διάφορες φυσικοχημικές κατεργασίες για καθαρισμό: • (i) Συμπίεση (απομάκρυνση συμπυκνωμάτων) • (ii) Αφυδάτωση (με γλυκόζη) • (iii) Γλυκασμό με διαιθανολαμίνη (απομάκρυνση Η2S, CO2) • (iv) Kατεργασία με Νa2CO3 (απομάκρυνση μερκαπτανών) • (v) Απορρόφηση με ορυκτέλαια (απομάκρυνση ανωτ. Η/Cs)

24. Φυσικό Αέριο: Γιατί μια καθαρότερη πηγή ενέργειας? To αποτέλεσματου επιμελούς καθαρισμού του Φ.Α. πριν την χρήση: Εκπεμπόμενοι ρύποι κατά την χρήση διαφόρων καυσίμων (σε mg/MJ παραγόμενης θερμότητας) Καύσιμο Σωματιδιακοί ρύποι ΝΟx SO2 CO H/Cs Κάρβουνο 1092 387 450 13 2 Μαζούτ 96 170 1400 14 3 Ντίζελ 6 100 220 16 3 Φ.Α. 4 100 0.3 7 1 ΑΡΑ ΕΙΝΑΙ ΜΙΑ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

25. Φυσικό Αέριο: Γιατί εισήλθε δυναμικά στη ζωή μας σήμερα και όχι παλαιότερα? • Τα αποθέματα φυσικού αερίου βρίσκονται μακριά από τα οργανωμένα Βιομηχανικά συγκροτήματα και τις μεγαλουπόλεις. • Η μεταφορά του σε μεγάλες αποστάσεις είναι δύσκολη και επικίνδυνη (σε σύγκριση με πετρέλαιο) • Η τεχνολογία μεταφοράς του με αγωγούς ή ως υγρό φυσικό αέριο (με πλοία) αναπτύχθηκε πρόσφατα. • Το ίδιο και η αποθήκευσή του σε τεχνητές ή φυσικές δεξαμενές

26. Φυσικό Αέριο: Εναλλακτικοί, ενδεδειγμένοι τρόποι χρήσης του. Δυο ελπιδοφόρες τεχνολογικές καινοτομίες για την πιο αναβαθμισμένη και ενδεδειγμένη χρήση του Φυσικού Αερίου:

27. Φυσικό Αέριο: Αναμόρφωσή του

28. Φυσικό Αέριο: Αναμόρφωσή του και παραγωγή Ηλεκτρισμού

29. Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη (OCM), παραγωγή αιθυλενίου Το αιθυλένιο ως η σημαντικότερη α΄ ύλη της πετροχημικής βιομηχανίας:

30. Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη, παραγωγή αιθυλενίου Οξειδωτική σύζευξη μεθανίου (Oxidative Coupling of Methane, OCM)

31. Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη, παραγωγή αιθυλενίου

32. Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη, παραγωγή αιθυλενίου Αν και υπάρχουν αρκετά εκλεκτικοί καταλύτες για μικρές μετατροπές CH4, η εκλεκτικότητά τους περιορίζεται σημαντικά σε υψηλές μετατροπές με αποτέλεσμα η Aπόδοση (=Εκλεκτικότητα x Μετατροπή) να κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα (<30%). Αιτία: Η σημαντικά υψηλότερη δραστικότητα των προϊόντων C2H6 και C2H4 με το O2. Αν μπορούσε κάποιος να “παγώσει” το βήμα 3, ή καλύτερα το βήμα 4, θα μπορούσε να οδηγήσει το σύστημα σε πολύ υψηλή απόδοση σε C2-υδρογονάνθρακες.

33. Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη, παραγωγή αιθυλενίου Ένα νέο επίτευγμα: Αντιδραστήρας συνεχούς ανακύκλωσης με ταυτόχρονο διαχωρισμό: - C.G. Vayenas, I.V. Yentekakis and Y. Jiang, PCT Pattent , No GR-0001-94, Jan. 28, 1994 - Y. Jiang, I.V. Yentekakis and C.G. Vayenas, Science, 264 (1994) 1563.

34. Φυσικό Αέριο: Oξειδωτική σύζευξη. Τα αποτελέσματα της νέας τεχνολογίας (αντιδραστήρα ανακύκλωσης)

35. Φυσικό Αέριο: Σχόλια επιστημονικής κοινότητας για το επίτευγμα

36. Τρεις σπουδαίες τεχνολογικά χρήσεις των ηλεκτροχημικών στοιχείων

37. Ποτενσιομετρία στερεού ηλεκτρολύτη(Solid Electrolyte Potentiometry, SEP)

38. Ποτενσιομετρία στερεού ηλεκτρολύτη(Solid Electrolyte Potentiometry, SEP)

39. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

40. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Μορφολογία κελιού καυσίμου:

41. 2 Ιδανική λειτουργία, Vcell = Vrev, εο=εmax Vcell = Vrev– Φact – Φohm - Φcon Vrev Φact Τάση λειτουργίας κυψέλης, Vcell, V Πυκνότητα παραγόμενης ισχύος, p, W/cm2 Φ 1 1 pmax p Φohm Φcon 0 0 0 1 2 Πυκνότητα ρεύματος κυψέλης, icell, A/cm2 Κελιά Καυσίμου: Τυπική συμπεριφορά τάσης-έντασης

42. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Σύγχρονες τάσεις της τεχνολογίας των κελιών καυσίμου: (i)Σχεδιασμός αποδοτικών σχημάτων (πχ. Cross-flow...) (ii) Βελτίωση συμπεριφοράς ηλεκτροδίων, ανάπτυξη νέων. (iii) Χημική Συμπαραγωγή (Chemical Cogeneration) (iv)Χρήση φθηνών καυσίμων (πχ. C, Φυσικό Αέριο, HCs).

43. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥκυριότεροι τύποι και εφαρμογές

44. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥκαι χημική συμπαραγωγή (chemical cogeneration) Χημική συμπαραγωγή: Είναι ο συνδυασμός της ιδέας του κελιού καυσίμου με την ιδέα του χημικού αντιδραστήρα για την ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και χρήσιμων χημικών προϊόντων. Απαραίτητες προϋποθέσεις για την εφαρμογή της Χημικής Συμπαραγωγής: (α) Η αντίδραση ενδιαφέροντος να είναι ισχυρά εξώθερμη. (β) Να αναπτύξουμε τους κατάλληλους ηλεκτροκαταλύτες που θα μπορέσουν να επιτελέσουν την αντίδραση.

45. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥκαι χημική συμπαραγωγή (chemical cogeneration) Σπουδαίες βιομηχανικές αντιδράσεις που εφαρμόστηκαν με επιτυχία σε πειραματικά κελιά καυσίμου για Χημική Συμπαραγωγή

46. ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥΑπευθείας χρήση C για παραγωγή ηλεκτρισμού(Yentekakis, Debenedetti, Costa, Ind. Eng. Chem. Research, 28, 1414, 1989)

47. Ένα ερώτημα: Μπορούν άραγε να αναπτυχθούν διεργασίες αποτελεσματικής ενεργειακής εκμετάλλευσης των αστικών λυμάτων με τρόπο ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον? Μια πρότασή μας που χρηματοδοτείται από την ΓΓΕΤ και την Ε.Ε., προγράμματα ΗΡΑΚΛΕΙΤΟΣ και ΠΕΝΕΔ-03 «Καινοτόμος Διεργασία Απευθείας Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας και Η2 από Επεξεργασία Αστικών και Βιομηχανικών Αποβλήτων Ποικίλου και Υψηλού COD» Υλοποιήθηκε στα πλαίσια των PhDs των κ. Γ. Γούλα και Θ. Παπαδάμ.

48. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΥ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ Εμπορία ηλεκτρικής ενέργειας Εμπορία Η2 Εμπορία CΟ2 Πρόσθετο Ηλιακό ή Αιολικό πάρκο ΜΟΝΑΔΑ 1Α Αναερόβια επεξεργασία ενεργού ιλύος Βιοαέριο CH4, CO2 ΜΟΝΑΔΑ 2Α Κυψελίδα καυσίμου βιοαερίου CO2 ΜΟΝΑΔΑ 3Α Παγίδευση CO2 σε ζεολιθικά μοριακά κόσκινα ΜΟΝΑΔΑ 1Β Αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων υψηλού COD Ηλεκτρική ενέργεια αποθήκευση Η2, CO2 ΜΟΝΑΔΑ 2Β Ηλεκτρολυτικής αποδόμησης ΜΟΝΑΔΑ 3Β Στερεά ανόργανα υπολείμματα

49. K-thermocouple Biogas inlet (CH4+CO2) GDC or YSZ Solid electrolyte V A Au lead wires Ni(Au)-GDC or Ni-YSZ anode Resistances box La0.5Sr0.5MnO3 cathode Μονάδα κυψελίδας καυσίμου βιοαερίου (2Α) • Κυψελίδα καυσίμου βιοαερίου Βιοαέριο (CH4 + CO2), Ni-YSZ Cermet / YSZ / perovskite (La0.5Sr0.5MnO3), αέρας • Αντίδραση ξηρής αναμόρφωσης βιοαερίου CH4 + CO2 2H2 + 2CO

50. Αποτελέσματα κελιά ενδιάμεσης και υψηλής θερμοκρασίας