Transcript Φυσικό Αέριο

Τεχνολογίες Επεξεργασίας Αέριων Εκπομπών, ΜΗΠΕΡ 2013
Τίτλος Διάλεξης:
Εναλλακτικές (Αντιρρυπαντικές) Τεχνολογίες.
Κάποιες εναλλακτικές τεχνολογίες
1. Τεχνολογία κινητήρων φτωχής καύσης (LeanBurn Engines)
2. Τεχνολογία κινητήρων Υδρογόνου. Αυτοκίνητα
υδρογόνου-zero emission cars
3. Φυσικό αέριο: Καινοτόμες τεχνολογίες
ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΚΑΤΑΡΤΙΣΗΣ: ΑΝΤΙΡΥΠΑΝΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΣΥΜΒΑΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ
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%).
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
Διαχείριση καυσαερίων κινητήρων lean-burn
Δυστυχώς
οι κλασσικοί TWCs δεν 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
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
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
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
Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2
Μετατροπή προπυλενίου
Μετατροπή C3H6 , %
100
80
60
C3
C1
C2
C4
40
C1:Μη-προωθημένος Pt
C2:1.6 wt.% Na
C3:2.6 wt.% Na
C4:4.2 wt.% Na
20
0
100
200
300
400
500
o
Θερμοκρασία, C
Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,
Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2
Συνολική μετατροπή ΝΟ
Συνολική Μετατροπή ΝΟ, %
100
80
C1:Μη-προωθημένος Pt
C2:1.6 wt.% Na
C3:2.6 wt.% Na
C1
C4:4.2 wt.% Na
60
40
Η προσθήκη Na οδηγεί σε :
Μετατόπιση των καμπυλών σε
χαμηλότερες θερμοκρασίες
C2
 Διεύρυνση στο θερμοκρασιακό
παράθυρο μετατροπής του ΝΟ
C3
20
C4
0
100
200
300
400
500
o
Θερμοκρασία, C
Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,
Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2
Μετατροπή NO σε N2, %
40
Μετατροπή NO σε Ν2
C1:Μη-προωθημένος Pt
C2:1.6 wt.% Na
C3:2.6 wt.% Na
C4:4.2 wt.% Na
30
Αύξηση της μετατροπής
Μετατόπιση των καμπυλών σε
χαμηλότερες θερμοκρασίες
20
 Διεύρυνση στο θερμοκρασιακό
παράθυρο μετατροπής του ΝΟ σε
Ν2
10
0
100
Η προσθήκη Na οδηγεί σε :
200
300
400
500
o
Θερμοκρασία, C
Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,
Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2
Μετατροπή NO σε Ν2Ο και ΝΟ2
30
80
C1: Μη-προωθημένος Pt
C2: 1.6 wt.% Na
C3: 2.6 wt.% Na
C4: 4.2 wt.% Na
Μετατροπή NO σε ΝO2, %
Μετατροπή NO σε N2O, %
40
20
10
0
100
200
300
400
0
Θερμοκρασία, C
500
60
C1:Μη-προωθημένος Pt
C2:1.6 wt.% Na
C3:2.6 wt.% Na
C4:4.2 wt.% Na
40
20
0
100
200
300
400
o
Θερμοκρασία, C
Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,
500
Αντίδραση C3H6+ΝΟ +Ο2
Εκλεκτικότητα προς N2, %
Εκλεκτικότητα προς
100


rN 2

S

Ν2 ,  N2 r  r 
N2
N 2O 

80
60
40
20
0
100
C1:Μη προωθημένος Pt
C2:1.6 wt% Na
C3:2.6 wt% Na
200
300
400
500
o
Θερμοκρασία, C
Συνθήκες : 1000 ppm NO, 1000 ppm C3H6, 5% O2 ,βάρος καταλύτη:70 mg,
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.
Εναλλακτικές τεχνολογίες
Aυτοκίνητα Υδρογόνου
ή
Αυτοκίνητα μηδενικών
εκπομπών
(Zero Emissions Cars)
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
Ποιοι λόγοι οδήγησαν στην ανάπτυξη των
υδρογονο-αυτοκινήτων;
1.
2.
3.
4.
Η ραγδαία ανάπτυξη
κυψελίδων καυσίμου.
της
τεχνολογίας
των
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)
Ποια προβλήματα σχετίζονται με την χρήση του
Η2;
1.
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.
2.
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).
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
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)
6. Η μεταφορά του Η2
(εμπεριέχει υψηλή επικινδυνότητα. Δεν έχουν λυθεί τα
τεχνολογικά ζητήματα ασφάλειας που σχετίζονται με αυτήν)
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.
Φυσικό Αέριο.
Μια εναλλακτική πηγή ενέργειας τον 21ο αιώνα?

Τι είναι το Φυσικό Αέριο?
Τυπική σύσταση Φ.Α. σε κάποιες χώρες παραγωγής του
Χώρα
Αποθέματα (δισεκ. m3)
Βάθος - πίεση
m - bar
Σύνθεση
Ν2
Ο2
CO2
CH4
C2H6
C3H8
Αλγερία
2700
2100 – 310
5
-
0.2
80
7.5
3
Τέξας
2000
820 – 34
13
2
0.5
76
4
3
Ολλανδία
1600
2800 - 350
14
0.01
0.9
81
3
0.5
Αποθέματα: ~140.000 τρισεκατομμύρια m3
(εκτιμάται ότι θα αρκέσουν >2πλάσιο χρόνο από ότι τα αποθέματα πετρελαίου)
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)
Φυσικό Αέριο: Γιατί μια καθαρότερη πηγή ενέργειας?
To αποτέλεσμα του επιμελούς καθαρισμού του Φ.Α. πριν την χρήση:
Εκπεμπόμενοι ρύποι κατά την χρήση διαφόρων καυσίμων (σε mg/MJ παραγόμενης θερμότητας)
Καύσιμο
Κάρβουνο
Μαζούτ
Ντίζελ
Φ.Α.
Σωματιδιακοί ρύποι
1092
96
6
4
ΝΟx
387
170
100
100
ΑΡΑ ΕΙΝΑΙ ΜΙΑ ΚΑΘΑΡΟΤΕΡΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
SO2
450
1400
220
0.3
CO
13
14
16
7
H/Cs
2
3
3
1
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
Φυσικό Αέριο: Εναλλακτικοί, ενδεδειγμένοι τρόποι χρήσης του.
Δυο ελπιδοφόρες τεχνολογικές καινοτομίες για την πιο
αναβαθμισμένη και ενδεδειγμένη χρήση του Φυσικού Αερίου:
Α) ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ CH4
Παραγωγή syngas (CO/H2) 
Πετροχημικά
Κελιά καυσίμου  Ηλεκτρική
Ενέργεια σε πολύ υψηλές αποδόσεις
B) ΟΞΕΙΔ. ΣΥΖΕΥΞΗ CH4
Παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης
αξίας (C2H4, CH3OH, HCOH) 
Πετροχημικά
Φυσικό Αέριο: Αναμόρφωσή του
CH4 + H2O  CO + 3H2
CH4 + CO2  2CO + 2H2
CH4 + ½O2  CO + 2H2
ΔΗ = 206 kJ/mol
ΔH = 248 kJ/mol
ΔΗ = -35 kJ/mol
Fischer-Tropsch
synthesis reactions
Reforming
CH4
C2+ , CH3OH,
HCOH
Πετροχημικά
CO/H2
Syngas
εξαιρετικά καύσιμα για κελιά
καυσίμου (Fuel Cells)
CO + O2  CO2
H2 + ½O2 H2O
ΔΗ = -283 kJ/mol
ΔH = -286 kJ/mol
Ηλεκτρική
Ενέργεια
Φυσικό Αέριο: Αναμόρφωσή του και παραγωγή Ηλεκτρισμού
 Διεργασία Αναμόρφωσης Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας:
CH4
Αναμορφωτής
CH4
H2+CO
Fuel Cell
Ηλεκτρική
ενέργεια
H2O
Θερμότητα + Η2Ο
 Διεργασία ταυτόχρονης αναμόρφωσης παραγωγής Ηλεκτρικής
Ενέργειας (Internal Reforming):
CH4
H2O
Fuel Cell
Εσωτερικής
Αναμόρφωσης
Ηλεκτρική
ενέργεια
Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη (OCM), παραγωγή αιθυλενίου
Το αιθυλένιο ως η σημαντικότερη α΄ ύλη της πετροχημικής βιομηχανίας:
Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη, παραγωγή αιθυλενίου
Οξειδωτική σύζευξη μεθανίου (Oxidative Coupling of Methane, OCM)
2CH4
O2
1
2CH3.
O2
2
C2H6
O2
C2H4
3
Βήματα 1,3,4
: Είναι κυρίως καταλυτικά
(ετερογενούς χαρακτήρα)
Βήμα 2
: Γίνεται κυρίως στην αέρια φάση
(ομογενούς χαρακτήρα)
O2
CO2
4
 Πρωτοπόρα εργασία των Keller and Bhasin έδειξαν ότι η OCM είναι
εφικτή.
- G.E. Keller and M.M. Bhasin, J. Catalysis, 73 (1982) 9
Φυσικό Αέριο: οξειδωτική σύζευξη, παραγωγή αιθυλενίου
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 C2υδρογονάνθρακες.
2CH4
O2
1
2CH3.
O2
2
C2H6
O2
3
C2H4
O2
4
CO2
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.
Δυνατότητα παράκαμψης
αντιδραστήρα
Συλλογή
C2-προϊόντων
Είσοδος
CH4
Παγίδα
Αντιδραστήρας
on-off V
Ν2
4PV
Παγίδα
O2
Περίπτωση
ηλεκτροχημικής
τροφοδότησης Ο2
Αντλία
ανακύκλωσης
αερίων
4PV
Έξοδος
on-off V
Φυσικό Αέριο: Oξειδωτική σύζευξη. Τα αποτελέσματα της νέας
τεχνολογίας (αντιδραστήρα ανακύκλωσης)
Φυσικό Αέριο: Σχόλια επιστημονικής κοινότητας για το επίτευγμα
Τρεις σπουδαίες τεχνολογικά χρήσεις των
ηλεκτροχημικών στοιχείων
3
G/P
2
1
VWR
Rex
Αντιδρώντα
Προϊόντα
Καταλύτης (W)
A
(C)
Αέρας
(R)
1.
Μελέτη του μηχανισμού ετεροκαταλυτικών
αντιδράσεων (Wagner, 1970)
2.
Κελιά Καυσίμου (Fuel Cells) (Sir F. Bacon,
1969):
Παραγωγή
/
Συμπαραγωγή
Ηλεκτρικής
Ενέργειας και χρήσιμων χημικών προϊόντων.
Προώθηση (ενίσχυση) της ενεργότητας και της
εκλεκτικότητας καταλυτικών συστημάτων.
(ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΠΡΟΩΘΗΣΗ)
3.
1.
Ποτενσιομετρία στερεού ηλεκτρολύτη
(Solid Electrolyte Potentiometry, SEP)
 Προτάθηκε από τον Wagner, 1970
 Εκτεταμένη εφαρμογή στην μελέτη του μηχανισμού
ετεροκαταλυτικών δράσεων.
 Ιδιαίτερης σημασίας στην μελέτη συστημάτων που
εμφανίζουν ταλαντωτική ή και χαοτική συμπεριφορά.
 Βασίζεται στην κατάσταση ισορροπίας του ηλεκτροχημικού στοιχείου:
VWR = (1/4F) [μ Ο2,W - μ Ο2,R]
εξίσωση
Nernst
Ποτενσιομετρία στερεού ηλεκτρολύτη
(Solid Electrolyte Potentiometry, SEP)
 Απαραίτητες Προϋποθέσεις:
1. Στερεός Ηλεκτρολύτης αγωγός ιόντων Ο22. Καταλύτης και ηλεκτρόδιο αναφοράς ίδιου υλικού
3. Κύρια αντίδραση μεταφοράς φορτίου να είναι:
O(a) + 2e-  O2-
 Εκφράζοντας
μΟ2,R = μΟ2,R + RT ln(0.21)
μΟ2,w = μΟ2,w + RΤ ln(αο2)
αο = (0.21)1/2 exp[2FVWR/RT]
SEP
εξίσωση
ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
 Είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις για την απευθείας μετατροπή της χημικής
ενέργειας σε ηλεκτρική και μικρού ποσοστού σε θερμότητα.
Φυσικό Αέριο
Πετρέλαιο
Άνθρακας
Θερμικές
μηχανές
Καύση
Θερμότητα
Γεννήτριες
Μηχανική
Ενέργεια
Ηλεκτρική
Ενέργεια
Περιορισμοί απόδοσης τύπου Carnot (ε<40%)
Κελί Καυσίμου (Fuel Cell)
ε>70%
Bαθμός απόδοσης Fuel Cell: ε = ΔG/ΔH = (nFVrev/ΔH) (V/Vrev)
ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
Μορφολογία κελιού καυσίμου:
2eO2YSZ
O2-
Αέρας
Καύσιμο
(πχ Η2 , CH4)
Κάθοδος
(πχ. Perovskites)
(1/2O2+2e-O2-)
Άνοδος
(πχ. Ni-cermet)
(H2+O2-H2O+2e-)
Κελιά Καυσίμου: Τυπική συμπεριφορά τάσης-έντασης
2
Ιδανική λειτουργία, Vcell = Vrev, εο=εmax
Vcell = Vrev – Φact – Φohm - Φcon
Vrev
Τάση
λειτουργίας
κυψέλης,
Vcell, V
Φact
Φ
1
Πυκνότητα
παραγόμενης
ισχύος, p,
W/cm2
1
pmax
p
Φohm
Φcon
0
0
0
1
Πυκνότητα ρεύματος κυψέλης, icell, A/cm2
2
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).
ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
κυριότεροι τύποι και εφαρμογές
Τύπος
Καύσιμο
ΤΛειτουργίας
Εφαρμογή
Solid Polymer Fuel Cell
(SPFC)
H2
60-80
120-180
Αυτοκίνητα, Διάστημα
Alkaline Fuel Cell (AFC)
H2
60-80
Αυτοκίνητα, Διάστημα
Direct methanol Fuel Cell
(DMFC)
CH3OH
60-130
Αυτοκίνητα, Διάστημα
Phosphoric Acid Fuel Cell
(PAFC)
H2
80-200
Παραγωγή ηλεκτρισμού
H2, CO
500-600
Παραγωγή ηλεκτρισμού
H2, CO, CH4
700-1000
Παραγωγή ηλεκτρισμού
Molten Carbonate Fuel Cell
(MCFC)
Solid Oxide Fuel Cell
(SOFC)
ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
και 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.
Αντιδρώντα
Αντιδρώντα
Θερμότητα
QC=(-ΔΗo)-ε(-ΔGo)
Χημικός
Αντιδραστήρας
Προϊόντα
Heat
QR=(-ΔΗo)
Κελί
Συμπαραγωγής
Ηλεκτρική Ενέργεια
W=ε(-ΔGo)
Προϊόντα
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.
ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
και χημική συμπαραγωγή (chemical cogeneration)
Σπουδαίες βιομηχανικές αντιδράσεις που εφαρμόστηκαν με επιτυχία
σε πειραματικά κελιά καυσίμου για Χημική Συμπαραγωγή
Αντίδραση
Τ
(oC)
Ηλεκτροκαταλύτης
Αναφορά
H2S+3/2O2SO2+H2O
1000
Pt
Yentekakis and Vayenas,
J. Electroch. Soc., 137, 996, 1989
NH3+5/4O2NO+3/2H2O
850
Pt-Rh
Vayenas and Farr,
Science, 208, 593, 1980
CH3OH+1/2O2H2CO+H2O
700
Ag
Neophytides and Vayenas,
J. Electroch. Soc., 137, 836, 1989
C+1/2O2CO
(theoretical study)
1200
Liquid Fe
Yentekakis, Debenedetti, Costa, Ind. Eng. Chem.
Res., 28, 1414, 1989
ΚΕΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
Απευθείας χρήση C για παραγωγή ηλεκτρισμού
(Yentekakis, Debenedetti, Costa, Ind. Eng. Chem. Research, 28, 1414, 1989)
 Περίπου το 40% της ενέργειας που παράγεται στον κόσμο
βασίζεται ακόμα στον άνθρακα.
 Σήμερα, περίπου 10,000 τόνοι Άνθρακα αεριοποιούνται
ημερησίως.
Προς την
Πετροχημική
Βιομηχανία
(Fischer-Tropsch
Synthesis)
Άνθρακας, O2, H2O
YSZ
Στερεός
Ηλεκτρολύτης
CO + H2
Ανοδικός
συλλέκτης e-
Δευτερεύον
SOFC
Αέρας
O2-
O2
O2Τηγμένος Fe
Anode
CO2 + H2O
ePerovskite
cathode
e-
Αντίσταση, Rex
Rex
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.
ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΥ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ
Εμπορία ηλεκτρικής
ενέργειας
Πρόσθετο Ηλιακό ή
Αιολικό πάρκο
ΜΟΝΑΔΑ 1Α
Αναερόβια
επεξεργασία
ενεργού ιλύος
ΜΟΝΑΔΑ 1Β
Αναερόβια
επεξεργασία
αποβλήτων
υψηλού COD
Βιοαέριο
CH4, CO2
ΜΟΝΑΔΑ 2Α
Κυψελίδα καυσίμου
βιοαερίου
CO2
ΜΟΝΑΔΑ 3Α
Παγίδευση CO2 σε
ζεολιθικά μοριακά
κόσκινα
Ηλεκτρική ενέργεια
αποθήκευση
ΜΟΝΑΔΑ 2Β
Ηλεκτρολυτικής
αποδόμησης
Εμπορία
Η2
Η2, CO2
ΜΟΝΑΔΑ 3Β
Στερεά ανόργανα
υπολείμματα
Εμπορία
CΟ2
Μονάδα κυψελίδας καυσίμου βιοαερίου (2Α)

Κυψελίδα καυσίμου βιοαερίου
Βιοαέριο (CH4 + CO2), Ni-YSZ Cermet / YSZ / perovskite (La0.5Sr0.5MnO3), αέρας
K-thermocouple
Biogas inlet
(CH4+CO2)
V
GDC or YSZ
Solid electrolyte
A
Au lead wires
Ni(Au)-GDC
or Ni-YSZ
anode
La0.5Sr0.5MnO3
cathode

Αντίδραση ξηρής αναμόρφωσης βιοαερίου
CH4 + CO2  2H2 + 2CO
Resistances box
Αποτελέσματα
κελιά ενδιάμεσης και υψηλής θερμοκρασίας
70
1,2
1,0
GDC intermediate temperature FC
60
Cell power density, mW/cm
Cell Voltage, V
2
Ni-YSZ/YSZ/La0.5Sr0.5MnO3
0,8
Ni(Au)-GDC/GDC/La0.5Sr0.5MnO3
0,6
0,4
0,2
0,0
50
40
30
20
10
0
50
100
150
Cell current density, mA/cm
200
2
250
0
YSZ high temperature FC
0
50
100
150
Cell current density, mA/cm
200
2
250
Σταθερή λειτουργία σε διάφορες ποιότητες βιοαερίου.
80
Intermediate temperature cell
Ni-GDC/GDC/La0.5Sr0.5MnO3
70
2
o
3
(T=700 C, F=60cm /min, V=450mV)
Cell power density, mW/cm
60
50
40
30
High temperature cell
Ni-YSZ/YSZ/La0.5Sr0.5MnO3
20
o
3
(T=875 C, F=60cm /min, V=450mV)
10
0
0
1
2
3
PCH /PCO
4
2
4