1 / 57

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.

sora
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 – 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

More Related