Transcript Technologie wodorowe Marian Nowak Instytut Fizyki – Centrum Naukowo Dydaktyczne Politechnika Śląska, Laboratorium Nanotechnologii Sonochemicznych Instytut Autostrada Technologii i Innowacji.

Technologie wodorowe
Marian Nowak
Instytut Fizyki – Centrum Naukowo Dydaktyczne
Politechnika Śląska,
Laboratorium Nanotechnologii Sonochemicznych
Instytut Autostrada Technologii i Innowacji
Technologie wodorowe
bazują na
atomach wodoru.
Energetyka termojądrowa
bazuje na
jądrach atomu wodoru.
Jakie są przyczyny zanieczyszczenia atmosfery ?
Ateny
W spalinach silników:
• substancje szkodliwe dla zdrowia organizmów żywych, m.in. :




tlenek węgla;
węglowodory;
tlenki azotu;
tlenki siarki;
• substancje szkodliwe dla środowiska (sprzyjające efektowi
cieplarnianemu):




dwutlenek węgla CO2;
metan CH4;
amoniak NH3;
podtlenek azotu N2O.
Wodór jako paliwo jest alternatywą
dla konwencjonalnych paliw nieodnawialnych.
Zalety wodoru jako paliwa:
• powszechne występowanie i niekończące się zasoby,
(można go uzyskać przez rozkład wody, a po
spaleniu ponownie tworzy wodę),
• brak zanieczyszczeń podczas spalania wodoru.
Wodorowy cykl energetyczny:
Technologie
wodorowe :
magazynowanie
pozyskiwanie
[ A. Züttel (2008) EMPA]
energetyczne
wykorzystanie
Wodór jest wykorzystywany:
• jako paliwo
w rakietach,
Wodór jak nośnik energii jest wykorzystywany:
• jako paliwo w rakietach,
• do magazynowania energii
odnawialnej pozyskiwanej okresowo.
[B. Cook (2001) e_27]
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)
Baden-Württemberg , Stuttgart
‘Wind2H2’ , NREL's National Wind Technology Center, Boulder, CO, USA
[M. Schiller (2014)].
Wodór jak nośnik energii jest wykorzystywany:
• jako paliwo w rakietach,
• do magazynowania energii odnawialnej pozyskiwanej
okresowo,
• jako paliwo
w ogniwach paliwowych.
Toyota FCV rozpędza się od 0 do 100 km/h w 10 sekund,
jego maksymalny zasięg: 482 km,
czas tankowania 3 min,
Model działa zupełnie bez spalin i emituje tylko parę wodną.
Ogniwa
paliwowe (Fuel Cells)
przekształcają bezpośrednio energię
chemiczną w energię elektryczną i ciepło.
Nie mają części ruchomych, działają
bezszumowo, a ich jedyną substancją
odpadową jest woda.
Ogniwo z membraną do wymiany protonów
Redukcja tlenu
na katodzie:
Utlenienie wodoru
na anodzie:
½O2 + 2H+ + 2e- → H2O
H2 → 2H+ + 2e-
Sumaryczna reakcja:
H2 + ½O2 → H2O + prąd elektryczny
Ogniwo z membraną do wymiany protonów
1833 r. – M. Faraday – prawa elektrolizy
1839 r. – Ch. F. Schoenbein – zasada działania
ogniwa wodorowego.
1842 r. - Sir W. Grove - “Gas voltaic battery”.
Ze względu na duże i łatwo dostępne zasoby ropy naftowej oraz
z powodu wynalezienia silnika spalinowego ogniwa paliwowe były
zapomniane aż do połowy XX wieku.
1965 r. - Gemini 5 - pierwszy statek kosmiczny wykorzystujący
ogniwo paliwowe z membran polimerów zamiast baterii.
1969 r. – Apollo 16 - alkaliczne ogniwo paliwowe dostarczało energii
elektrycznej.
[www.planeteplus.pl]
Ogniwo paliwowe NASA Space
Shuttle Orbiter produkowało
12 kW elektryczności i wodę pitną.
Rodzaje ogniw paliwowych :
PEMFC ogniwo z membraną do wymiany protonów
(Proton-Exchange Membrane Fuel Cell,
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells,
AFC alkaliczne ogniwo paliwowe
(Alkaline fuel cells).
PAFC ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym
(Phosphoric-acid fuel cells),
SOFC ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym
(Solid-oxide fuel cells),
MCFC ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami
(Molten-carbonate fuel cells),
DMFC bezpośrednie ogniwo metanolowe
(Direct-methanol fuel cell),
Ogniwo z membraną do wymiany protonów
Transport protonów odbywa
się poprzez membranę
polimerową, np. Nafion®
zawierający fluoropolimery z
grupami siarczanowymi.
Ze względu na niską
temperaturę pracy ( 70 oC
do 90 oC ) konieczne jest
stosowanie szlachetnych
metali (np. Pt oraz Ru) w
elektrodach.
Dla przemiany izotermiczno-izobarycznej,
maksymalna praca nieobjętościowa Lno,
a więc dla ogniw paliwowych praca elektryczna Leh
jest równa energii swobodnej reakcji DG
Lno = Leh = DG
Wartość napięcia odwracalnego ogniwa paliwowego dla
wody w warunkach standardowych (p=1 atm; T=25°C)
wynosi
E°298 = 1,229 V
Pmax(powietrze) = 600 mW , Pmax(tlen) = 800 mW
[http://www.fuelcellstore.com/cgi-bin/fuelweb/view=NavPage/cat=61]
Ogniwo z membraną do wymiany protonów
Odwracalne ogniwo paliwowe
(Regenerative (Reversible) Fuel Cell )
Ogniwa paliwowe dla rozproszonej energetyki
Agregat z ogniwem
paliwowym firmy Plug
Power do zasilania domów
z mocą 7 kW.
Główne metody pozyskiwania wodoru:
• Konwersja paliw węglowodorowych
• Zgazowanie węgla
• Otrzymywanie wodoru z biomasy
• Elektroliza wody
• Termiczny rozkład wody
• Metody niekonwencjonalne (np. fotoliza)
Fotoliza (dysocjacja fotochemiczna,
fotodysocjacja) = absorpcja kwantu światła
powoduje zerwanie wiązania w cząsteczce;
[/www.guam.net/pub/sshs/depart/science/man
cuso/apbiolecture/07_aqpath/eap.htm]
W roślinach zielonych fotoliza wody na wodór (wykorzystywany
w dalszym etapie fotosyntezy) i tlen (wydalany do atmosfery)
Fotokatalityczny rozkład wody
z wykorzystaniem półprzewodnika
[Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 5654]
Cykl
jodo-siarkowy
Sposoby przechowywania wodoru:
- sprężony gaz w zbiornikach
kompozytowych ( 200-700 bar )
- skroplony wodór (T=20 K)
- wodorki metali (np. LiAlH4; NaBH3; AlH3 )
chemisorpcja
- wodór w nanostrukturach węglowych (np. CNT)
adsorpcja fizyczna
[E_144]
Jedna z pierwszych stacji w Berlinie, gdzie można zatankować
wodór (Fot. MICHAEL SOHN ASSOCIATED PRESS)
Dziękuję za uwagę
Polskie Stowarzyszenie
Wodoru i Ogniw Paliwowych
E_150
Mercedes-Benz NECAR 5 (New Electronic Car) oraz JEEP Commander
(DaimlerChrysler)
Furgonetka Zevco
z ogniwem AFC
Londyńska taksówka
Zevco z ogniwem AFC
GM HydroGen3 z ogniwem paliwowym i
zbiornikiem ciekłego wodoru
BMW 700 z wodorowym silnikiem spalinowym.
Autobus Citaro
produkcji Daimler
Chrysler.
Łódź podwodna U-214 z ogniwem paliwowym i zbiornikiem
wodorku metalu, Siemens/HDW.