mef 1000 materialer og energi kap 11 konvertering og lagring av energi n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi PowerPoint Presentation
Download Presentation
MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi

Loading in 2 Seconds...

  share
play fullscreen
1 / 57
Download Presentation

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

sora
172 Views
Download Presentation

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

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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 – nå skal vi se på konvertering mellom energiformene 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 • tilført energi oftest lik varmeinnholdet (reaksjonsentalpi) for brenselet • Virkningsgrad 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 MEF 1000 – Materialer og energi

  15. Fra lys til elektrokjemiske prosesserFotoelektrokjemiske celler – forts. • Fotobiologisk • fotosyntese • H2 fra bakterier, alger • Grätzel-celler Ledende glasselektroder Halvleder (nano-TiO2) Adsorbert fargestoff (”dye”) Elektrolytt Redokspar (I- / I3-) MEF 1000 – Materialer og energi

  16. Fra kjemisk til elektrisk energiBrenselceller • Sir William R. Grove, 1839 • H2 + ½ O2 = H2O • Svovelsyre som elektrolytt • H2 og O2 som brensel • Kunne også spalte vann (elektrolysør) MEF 1000 – Materialer og energi

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

  18. Brenselcelle med rent protonledende elektrolyttProton Conducting Fuel Cell (PCFC) H2 + ½O2 = H2O poly-benzimidasol CsHSO4 Y-dopet BaCeO3 MEF 1000 – Materialer og energi

  19. 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

  20. 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

  21. MEF 1000 – Materialer og energi

  22. MEF 1000 – Materialer og energi

  23. + Generelt for brenselceller Miljøvennlig Effektiv Fleksibel Modulær Spesielt for PEMFC Rask oppstart Mekanisk robust - 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. Fastoksid-brenselcelle - Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O MEF 1000 – Materialer og energi

  28. Punktdefekter MEF 1000 – Materialer og energi

  29. Punktdefekter MEF 1000 – Materialer og energi

  30. 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

  31. Ledningsevne i SOFC-materialer MEF 1000 – Materialer og energi

  32. Eksempel på mikrostruktur MEF 1000 – Materialer og energi

  33. Rørdesign MEF 1000 – Materialer og energi

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

  35. Planart design MEF 1000 – Materialer og energi

  36. MEF 1000 – Materialer og energi

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

  38. + Generelt for brenselceller Miljøvennlig Effektiv Fleksibel, modulær Spesielt for SOFC Brensel-tolerant Høy verdi på spillvarme Integrasjon i prosesser - 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

  39. Forgassing Rensing Fukteledd/damp Reformere (fossile brensel) Skift-reaktor Hydrogenfilter Varmevekslere Pre-heating (luft) Conditioning (el) Fra likestrøm til vekselstrøm; inverter Prosessering av brensel samt andre periferikomponenter rundt en brenselcelle MEF 1000 – Materialer og energi

  40. Potensial og effekt vs strøm for en brenselcelle • Eksempelet i figuren: • 1 mm tykk YSZ elektrolytt • Ca-dopet LaCrO3 elektroder • H2 + luft • Brenselsutnyttelsesgrad? • Elektrisk effekt og virkningsgrad: • Pe = G uf Pin • Pe elektrisk effekt • Pin tilført kjemisk effekt • G Nernst-virkningsgrad • uf brenselsutnyttelsesgrad MEF 1000 – Materialer og energi

  41. Elektrisk effekt og virkningsgrad • Pe = G uf Pin • Pe / Pin = G uf Virkningsgrad for cellen • Typisk 50% • G = Pe / (Pinuf ) = wel / wtot = G / H • Teoretisk kan G være >100% MEF 1000 – Materialer og energi

  42. MEF 1000 – Materialer og energi

  43. 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

  44. 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

  45. 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

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

  47. 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

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

  49. Økt pakningstetthet i Li-ion-polymer-akkumulator MEF 1000 – Materialer og energi

  50. Metall-luft-batterier • Blanding av batteri og brenselcelle • Brensel: Metallstaver • Al, Zn, Mg • Oksidant: Luft, evt. luft løst i vann • I den senere tid også utviklet til oppladbare batterier; akkumulatorer MEF 1000 – Materialer og energi