Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap."— Utskrift av presentasjonen:

1 MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Kurs-uke 11

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

3 MEF 1000 – Materialer og energi Fra strømning til rotasjon Turbiner; ”propeller” Vindmøller Vann-”møller”

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

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

6 MEF 1000 – Materialer og energi Fra kjemisk til mekanisk energi; roterende motorer Gassturbin Jetmotor

7 MEF 1000 – Materialer og energi Fra kjemisk til mekanisk energi; reverserende motorer Dampmaskinen

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

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

10 MEF 1000 – Materialer og energi 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

11 MEF 1000 – Materialer og energi Avgassrensing og -kontroll For mye luft: NO x For lite luft: Hydrokarboner og sot Feedback til motor og forgasser fra –Lambdasensor (pO2) –NO x -sensor

12 MEF 1000 – Materialer og energi 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…

13 MEF 1000 – Materialer og energi Fra elektromagnetisk stråling (lys) til elektrisitet Fotovoltaiske 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

14 MEF 1000 – Materialer og energi Fra lys til elektrokjemiske prosesser Fotoelektrokjemiske celler Fotogalvanisk –Spenning ved lys på elektrode Fotoelektrolytisk –Spalter vann direkte

15 MEF 1000 – Materialer og energi Fra lys til elektrokjemiske prosesser Fotoelektrokjemiske celler – forts. Fotobiologisk –fotosyntese –H 2 fra bakterier, alger Grätzel-celler Ledende glasselektroder Halvleder (nano-TiO 2 ) Adsorbert fargestoff (”dye”) Elektrolytt Redokspar (I - / I 3 - )

16 MEF 1000 – Materialer og energi Fra kjemisk til elektrisk energi Brenselceller Sir William R. Grove, 1939 H 2 + ½ O 2 = H 2 O Svovelsyre som elektrolytt H 2 og O 2 som brensel Kunne også spalte vann (elektrolysør)

17 MEF 1000 – Materialer og energi Mange typer brenselceller Eksempler: H 2 + luft

18 MEF 1000 – Materialer og energi Brenselcelle med rent protonledende elektrolytt Proton Conducting Fuel Cell (PCFC) H 2 + ½O 2 = H 2 O poly-benzimidasol CsHSO 4 Y-dopet BaCeO 3

19 MEF 1000 – Materialer og energi Fosforsyre-brenselcelle Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) °C 40-45% effektivitet Elektrolytt: kons. H 3 PO 4 –Er en H 3 O + -leder –Vann må sirkuleres Elektroder: Porøs C + Pt Brensel: H 2 eller pre- reformerte fossile brensel (H 2 +CO, CO 2 ) Kraftverk i MW-klassen operative Korrosjonsproblemer

20 MEF 1000 – Materialer og energi Polymer-elektrolytt-brenselcelle 50-85°C 45-50% effektivitet Elektrolytt: Nafion® og lignende –Er en H 3 O + -leder + drag av ca 5H 2 O –Vann må sirkuleres Elektroder: Porøs C + Pt Brensel: Rent H 2 Kommersielle i mange sammenhenger Katalysatorforgiftning (CO) Pris

21 MEF 1000 – Materialer og energi

22

23 PEFC + –Generelt for brenselceller Miljøvennlig Effektiv Fleksibel Modulær –Spesielt for PEMFC Rask oppstart Mekanisk robust - –Komplisert teknologi –Dyrt Nafion Pt –Må ha rent H 2 som brensel CO-passivering Transport, lagring –Lav verdi på spillvarme 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)

24 MEF 1000 – Materialer og energi Direkte metanol-brenselcelle DMFC 50-85°C 45-50% effektivitet Elektrolytt: Nafion® og lignende Elektroder: Porøs C + Pt/Ru Brensel: CH 3 OH(aq) Lav effektivitet Løselighet av metanol i elektrolytten; kjemisk kortslutning God brukervennlighet

25 MEF 1000 – Materialer og energi Alkalisk brenselcelle 60-90°C 40-50% effektivitet Elektrolytt: KOH(aq) –OH - -ioneleder –H 2 O må sirkuleres Elektroder: Porøs C + Pt Brensel: Rent H 2 Tidlig konsept –Brukt i Apolloferdene –London-drosjer

26 MEF 1000 – Materialer og energi Smeltekarbonat-brenselcelle (MCFC) °C 45-60% effektivitet Elektrolytt: M 2 CO 3 –(sugd opp i porøs LiAlO 2 ) –CO leder –CO 2 må sirkuleres Elektroder: –Ni anode –Li-dopet NiO katode (p- leder) Brensel: Alle Korrosjon

27 MEF 1000 – Materialer og energi Fastoksid-brenselcelle - Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

28 MEF 1000 – Materialer og energi

29

30 - + anode O 2- ioneleder CH 4 O 2 + N 2 N2N2 O2N2O2N2 e-e- H 2 O H 2 CO H 2 O CO 2 CO 2 H 2 O Elektrolytt Zr 1-x Y x O 2-x/2 (YSZ) Katode La 1-x Sr x MnO 3 (LSM) Anode Ni-YSZ Bipolar plate Stål La 1-x Ca x CrO 3 Tettinger Glass/glasskeramer Katalysatorer

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

32 MEF 1000 – Materialer og energi Eksempel på mikrostruktur

33 MEF 1000 – Materialer og energi Rørdesign

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

35 MEF 1000 – Materialer og energi Planart design

36 MEF 1000 – Materialer og energi

37 Rolls Royce design Seriekoblede fragmenter, silketrykket på flate rør

38 MEF 1000 – Materialer og energi SOFC + –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 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.

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

40 MEF 1000 – Materialer og energi Potensial og effekt vs strøm for en brenselcelle Eksempel: –1 mm tykk YSZ elektrolytt –Ca-dopet LaCrO 3 elektroder –H 2 + luft Brenselutnyttelsesgrad? Elektrisk effekt og virkningsgrad: P e =  G u f P in

41 MEF 1000 – Materialer og energi Elektrisk effekt og virkningsgrad P e =  G u f P in P e / P in =  G u f  G = w el / w tot =  G /  H Teoretisk kan  G være >100%

42 MEF 1000 – Materialer og energi

43 Brenselceller; egenskaper Ingen flamme – direkte fra kjemisk til elektrisk energi –Mindre NO x I prinsippet Gibbs energi; ingen Carnot-syklus –men andre tapsledd Fleksible Modulære Støyfrie Mer effektive ved varierende effektuttak

44 MEF 1000 – Materialer og energi Elektrolysører Reversert brenselcelle AFC og PEFC-deriverte typer mest utbredt Norsk Hydro Electrolyzers AS –AFC Bensinstasjoner med elektrolysør; fra elektrisitet til H 2 on-site –UiO/HiA: Nanokrystallinske NiP x, NiB x, NiS x for katoder i elektrolysører

45 MEF 1000 – Materialer og energi Lagring av elektrisk energi Kondensatorer 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

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

47 MEF 1000 – Materialer og energi Lagring av elektrisitet Elektrokjemisk konvertering; akkumulatorer Primære batterier –Energien lagres av fabrikken –Kastes/resirkuleres etter bruk Sekundære batterier = akkumulatorer –Kan reverseres; lades opp

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

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

50 MEF 1000 – Materialer og energi 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

51 MEF 1000 – Materialer og energi 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!

52 MEF 1000 – Materialer og energi 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 –NH 3 og andre N-holdige

53 MEF 1000 – Materialer og energi Hydrogenlagringstetthet

54 MEF 1000 – Materialer og energi Andre energilagringsmetoder Mekanisk 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

55 MEF 1000 – Materialer og energi Forbruk, nedbrytning og gjenvinning av materialer Å lage teknologi for fornybar energi koster også energi Degradering Nedbrytning Kostnad ved skrotning Gjenvinning

56 MEF 1000 – Materialer og energi Oppsummering Kap. 11 Energikonvertering –Fra sollys til elektrisitet m.m. –Fra vind/vann til mekanisk –Fra kjemisk til varme –Fra nukleær til varme –Fra varme til mekanisk –Fra mekanisk til elektrisk –Brenselceller mange typer; lær en eller to godt Energilagring –Elektrisk Spenning (ladning) Strøm –Kjemisk Akkumulator –Lær Li-ion m.m. Hydrogen –Mekanisk


Laste ned ppt "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 11 Konvertering og lagring av energi Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google