ser_curs9_2015

7/24/2019 SER_Curs9_2015

1/60

1

Dr. ing. Dumitru Al. Dumitru

SURSE DE ENERGIE

REGENERABIL

Cursul nr. 9

UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TRGOVITE

FACULTATEA DE INGINERIA MEDIULUI I TIINA ALIMENTELOR

Note de curs; Anul univ. 2014/2015.

Uz intern.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

2/60

2


PILE DECOMBUSTIE

7/24/2019 SER_Curs9_2015

3/60

7/24/2019 SER_Curs9_2015

4/60

4


Introducere Cum se tie co conversie Carnot rareori depete

un randament de 40% datoritsursei de cldurilimitrilor de temperatur, eficiena conversiei ntr-opilde combustie poate fi mai mare dect ntr-un

motor cu ardere intern, mai ales n dispozitive mici. O pilde combustie transformcombustibilul n

putere printr-o conversie electrochimicde

energie.

Folosind combustibil i oxigen din aer, produce

electricitate, api cldur.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

5/60

7/24/2019 SER_Curs9_2015

6/60

6


Istoricul pilei de combustie Istoria pilei de combustie

ncepe n 1839. Un judectordin ara Galilor, Sir WilliamRobert Grove (1811-1896), a

construit un dispozitiv pe careel l-a numit baterie de gaz. El a fost capabil sinverseze

electroliza utiliznd aceastprimpilde combustie pentrua genera electricitate din

hidrogen i oxigen.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

7/60

7


Istoricul pilei de combustie

7/24/2019 SER_Curs9_2015

8/60

8


Istoricul pilei de combustie Grovetia capa poate fi despritn

hidrogen i oxigen prin trimiterea unui curentelectric prin ea (un proces numit electroliz).

El a fcut ipoteza cdacs-ar putea faceprocesul reversibil s-ar putea produceelectricitate i ap.

n acest sens, Grove a creat o pildecombustie primitivi a numit-o baterie gaz-

voltaic.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

9/60

9


Istoricul pilei de combustie Cinci zeci de ani mai

trziu, cercettoriiLudwig MondiCharles Langer audat numele de fuelcell (pildecombustie) n timp cencercau s

construiascunmodel practic pentrua produce

electricitate.

Ludwig Mond Charles Langer

7/24/2019 SER_Curs9_2015

10/60

10


Istoricul pilei de combustie Dar, deoarece Werner von Siemens a construit

primul dinam n 1866, pilele de combustie au fosttrecute ntr-o existenlipsitde importanntr-omicnia tehnologiilor de furnizare a energiei

electrice. Pe de o parte, problemele de material i lipsa

cunotinelor despre procesele electrochimice au

ngreunat dezvoltarea pilelor de combustie; pe dealtparte, generatoarele electrice antrenate deturbinele cu abur i motoarele cu ardere intern, au

oferit de asemenea energie mai ieftin.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

11/60

11


Istoricul pilei de combustie La mijlocul secolului 20, datoritrandamentului

electric ridicat, a densitii mari de energie ia capaciti mari de stocare a acestorsisteme, activitatea de dezvoltare a sistemelorbazate pe pilele de combustie a fost realizatpentru ageniile militare i spaiale.

Totui, costurile de investiie au rmas extremde maripentru aceste sisteme, fcndu-leneinteresante pentru o gam

larg

de aplica

ii.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

12/60

7/24/2019 SER_Curs9_2015

13/60

13


Istoricul pilei de combustie De la mijlocul anilor 80, tehnologia pilelor de

combustie a fost de asemenea cercetatmaiintens i pentru aplicaii de alimentare staionare

datoritcreterii importanei problematicii legatede protecia mediului.

Modulele n co-generare ce furnizeazatt

cldurct i energie electricconsumatorilor demare putere, sunt acum disponibile la nivel

comercial.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

14/60

14


Istoricul pilei de combustie n 2003, preedintele SUA George Bush a anunat

un program numit Iniiativa CombustibiluluiHidrogen sau HFI (Hydrogen Fuel Initiative).

Aceastiniiativ, susinutde legislaia din Actul

Politicii Energiei (Energy Policy Act of 2005 (EPACT2005)) i de Iniiativa Energiei Avansate din 2006,intete sdezvolte hidrogenul, pilele de combustiei tehnologiile de infrastructurpentru a facevehiculele propulsate de pile de combustie practicei permisibile ca prepnn 2020.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

15/60

15


Principiul de funcionare al pilelor de

combustie Deci, ce este de fapt o pilde combustie? De ce

guvernele, firmele private i instituiile academicecolaboreazpentru a le dezvolta i a le produce?

Pilele de combustie genereazenergie electricn linite, eficient i frpoluare. Spre deosebirede sursele de energie care utilizeazcombustibili

fosili, produsele secundare de la o pildecombustie sunt cldura i apa. Dar cum se ntmplasta?

7/24/2019 SER_Curs9_2015

16/60

16



combustie

2H2 => 4H+ + 4e- 2H2 + O2 => 2H2O O2 + 4e

- + 2H2O => 4OH-

Principiul de funcionare al pilei de combustie.

(Sursa: Fraunhofer ISE, Freiburg, Germania)

7/24/2019 SER_Curs9_2015

17/60

17



combustie Pilele de combustie sunt convertoare

electrochimice de energie. O pilde combustie aren principal doi electrozi separai spaial printr-unelectrolit (figura precedent).

Electrolitul este impermeabil pentru gaz dar este unmediu de transport al ionilor. Electrozii trebuie sfie foarte poroi pentru a avea o

suprafasuficient de mare pentru conversiaelectrochimic.

Hidrogenul (H2) este absorbit n anod, iar oxigenul

(O2) n catod.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

18/60

18



combustie Cnd gazele reacioneazse creeazo diferen

de potenial ntre electrozi, cauznd o circulaiede curent prin sarcina conectatn circuitulexterior.

n acelai timp, se genereazcldurce poate fiutilizat(co-generare).

Produsul rezultat este apa. Pentru producerea tensiunilor mai mari, se

nseriazmai multe celule.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

19/60

19



combustie

7/24/2019 SER_Curs9_2015

20/60

20



combustie

7/24/2019 SER_Curs9_2015

21/60

21



combustie Reacia ntr-o pilde combustie cel mai des

impliccombinarea hidrogenului (H) cu aoxigenului (O):

n condiii standard de temperaturi presiune,25C i 1atm, reacia are loc cu o schimbare de

energie G = 56.69 kcal pe mol de ap. Cum formarea apei implicdoi electroni, aceast

valoare corespunde cu -1,23 electronvolt (1 eV =

23.06 kcal/echivalent).

7/24/2019 SER_Curs9_2015

22/60

22



combustie Cu toate acestea, la echilibru termodinamic (curent

zero), tensiunea pilei ar trebui sfie de 1.23V,ajungnd la un randament teoretic bazat pe clduraarderii [H pentru H2O(l) = 1.48 eV] de 83.1%.

n sarcin(curent nenul), o pilde combustie arepierderi n tensiune (V). Pilele de combustie detemperaturi joase, acestea se datoreazn mare

ncetinirii cinetice (ireversibilitatea) reaciei dereducere a oxigenului, care necesitspargerea uneiduble legturi cu transferul a patru electroni pemolecul

ntr-o secven

complex

de reac

ii.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

23/60

23



combustie n sisteme de temperaturridicat, pierderile prin

reducerea oxigenului sunt mai mici, cum rata dereacie crete cu temperatura.

Oricum, energia liberdisponibilatunci descrete,

scznd la o valoare corespunztoare la aproape 1.0V la 1000C.

nc

o pierdere termodinamic

rezult

din conversianalta combustibilului (sau oxidantului) pentru aevita pierderea, deci potenialul efectiv reversibil este

deplasat fade starea iniial.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

24/60

24



combustie Cu toate c, la temperaturi nalte, principala

pierdere este termodinamic, care tind scompenseze pierderile ireversibile oxigen electrodla temperaturi joase.

Ca rezultat, tensiunile pilelor sub sarcini obinuitevariazde la aproape 0,6 V pentru pilele simple

terestre pnla 1,0 V pentru cele aero-spaiale. Tensiunile pilelor scad cu creterea curentului pe

unitatea de suprafa.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

25/60

25


Construcia pilelor de combustie Pentru a genera electricitate utilfiind alimentate

cu combustibil, pilele electrochimice necesitostructurcomplex.

Un sistem complet cu pilde combustie este

alctuit din componente pentru reformarea gazului,gestiunea gazului i a cldurii, pila de combustiepropriu-zisi partea de condiionare a puterii.

O reprezentare de ansamblu, simplificata unuisistem complet de pilde combustie esteprezentat

n figura urm

toare.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

26/60

26


Construcia pilelor de combustie

gaz natural

biomas

etanol

metanolpetrol

diesel

ulei

Gaze evacuate

(aer, H2O, CO2) aer

combustibilneutilizat

cldur

Comb.hidrogen

gaz

mbogit

Reformator Pildecombustie Regulatorde putere

Sistem derecuperarea cldurii

7/24/2019 SER_Curs9_2015

27/60

27


Tipuri de pile de combustie

7/24/2019 SER_Curs9_2015

28/60

28


Pila de combustie cu hidrogen O pilde combustie pe hidrogen combin

electrochimic hidrogenul i oxigenul pentru agenera electricitate, api cldur. Nu sunt alteemisii. Diferitele tipuri de pile folosesc diferitetipuri de electrolii cu reacii electrochimicediferite, dar reacia generaleste aceeai.

Structura de baza unei pile de combustieconstntr-un strat de electrolit care este ncontact cu un anod

i un catod.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

29/60

29


Hidrogenul este un gaz universal, care, fiind totodat

i combustibili materie prim pentru industria chimic,este comod la pstrarei are temperatur mare deardere.

Conform unor cercetri hidrogenul ar putea acoperi85% din consumul energetic n sectorul industrial i92% din consum n sectorul privat.

Rezervele de materie prim pentru producereahidrogenului sunt considerate infinite, numnai n mriioceane sunt coninute pn la 121017 t de hidrogen

care la ardere se transform din nou n ap.

Hidrogenul ca sursde energie

regenerabil

7/24/2019 SER_Curs9_2015

30/60

30


Universalitatea hidrogenului constn faptul c

acesta ar putea nlocui orice combustibil, pentruorice ramura industriei, transport sauenergetic.

El poate nlocui gazul natural la buctrie,petrolul din motoarele cu ardere interna ale

automobilelor, combustibilii speciali dinmotoarele navelor spaiale, acetilena la sudare,cocsul n siderurgie, etc.


regenerabil

Hid l d i

7/24/2019 SER_Curs9_2015

31/60

31


Hidrogenul poate fi uor utilizat pentru alimentarea

staiilor electrice mici, mobile sau chiar staionare, nturbine de gaz, pentru generarea energiei electrice, ncuptoare mari de forjare, poate fi pstrat n cantitinelimitate, iar implementarea lui n calitate decombustibil nu cere modificri majore n tehnologie.

Avnd toate avantajele pe care le au combustibilii fosili

hidrogenul spre deosebire de acestea nu polueazmediul. La arderea lui n mediu nu se aruncniciun fel de poluani, unicul produs secundar fiindapa.


regenerabil

Hid l d i

7/24/2019 SER_Curs9_2015

32/60

32


Sc h em a c i c l u l u i e n e r g e t i c p e n t r u c om b u s t i b i l i i f o s i l i


regenerabil

Hid l d i

7/24/2019 SER_Curs9_2015

33/60

33


Sch em a c i c l u l u i e n e r g e t i c p e n t r u h i d r o g e n


regenerabil

Hid l d i

7/24/2019 SER_Curs9_2015

34/60

34



regenerabil Hidrogenul ar putea nlocui electricitatea n calitate de

intermediar energetic ntre centrala electric

i

consumator. Electricitatea este o formcomodicuratde energie dar nu i cea mai eficientdinpunctul de vedere al transportului i stocrii acesteia.

Costul transportului energiei electrice constituie50% din costul total al acesteia, iar pierderile detransport sunt foarte mari.

Prin comparaie costul transportului de hidrogen a fostestimat numai cu 2050% mai scump dect transportulgazului natural i de numai 10% din costul su capurttor energetic iar scurgerile ar constitui doar 1%.

Hid l d i

7/24/2019 SER_Curs9_2015

35/60

35



regenerabil Existdousurse de hidrogen:

electroliza apei,

reformarea combustibililor fosili.

n primul caz,ca sursde energie electricpentru electrolizar putea fi folositoricare

dintre sursele regenerabile: staii eoliene,sisteme fotovoltaice, centrale hidroelectrice,energia geotermalsau energia mareelor.

Metode de producere a

7/24/2019 SER_Curs9_2015

36/60

36



hidrogenului Pe de altparte hidrogenul poate fi extras dintr-un

ir de amestecuri gazoase prin diverse metodefizice de extragere i concentrare:

1. condensarea i fracionarea la temperaturijoase metodcaracterizatprin grad nalt deextragere a hidrogenului din amestecul gaz, nmediu pentru extragerea hidrogenului la presiuneade 4 MPa, temperatura de 115 K i compoziia deH2n gaz pnla 40% se cheltuie 22 kWh per

1000 metri cubi.


7/24/2019 SER_Curs9_2015

37/60

37



hidrogenului2. adsorbia metodmai ieftin, procesul avnd

loc n adsorbere, hidrogenul captndu-se cu sitemoleculare.

3. adsorbia cu dizolvani lichizi- metodcarepermite concentrarea hidrogenului pnla99,9%, dar cere cheltuieli mari de energie, pn

la 68 kWh la 1000 metri cubi de gaz.4. concentarea hidrogenului prin metoda

difuziein membrane din paladiu.


7/24/2019 SER_Curs9_2015

38/60

38



hidrogenului Cea mai rspnditi profund cercetat

metodde obinere a hidrogenului este

electroliza apei, metoda permite producerea

gazului pur, cu coninut de 99,699,9% H2, n osingurtreapttehnologic.

Costul procesului depinde de costul energieielectrice, pentru ca de fapt 85 % din cheltuieli

sunt pli pentru energia electric.


7/24/2019 SER_Curs9_2015

39/60

39



hidrogenului Eficiena electrolizei, ca metodde produce a

hidrogenului pentru electrificare e de doar 3% Metoda ar putea fi nsaplicatatunci cnd staiile

electrice fie ele hidroelectrice, fie eoliene, atomice

sau fotovoltaice produc un surplus de energieelectric, care dupcum se tie nu poate fi stocatn cantiti mari, sau de ce nu pentru producerea

combustibilului pentru alimentarea vehiculelorpropulsate de motoare electrice pe bazde pile decombustie care sunt de doua ori mai eficiente dect

vehiculele alimentate cu combustibili fosili.


7/24/2019 SER_Curs9_2015

40/60

40



hidrogenului Pe de altparte prin

electroliza apei nafarde H2 se obindoi produi importanioxigenul i apagrea, care ar putea fiutilizai pentruarderea deeurilor

urbane oxigenul,iar apa grea cainhibitor n

reactoarele atomice.


7/24/2019 SER_Curs9_2015

41/60

41



hidrogenului n cazul utilizrii hidrogenului pentru conversia

energetic trebuie acordatacordat o ateniemajor problemei dificile a depozitrii a

acestuia. Dificultile apar deoarece hidrogenul se

lichefiaz foarte greu, la presiuni foarte marii la temperaturi joase, ns chiari n formlichid densitatea lui este de doar 71 kg/m3.


7/24/2019 SER_Curs9_2015

42/60

42



hidrogenului Hidrogenul este un gaz inflamabil, care n unele

circumstane n amestec cu aerul detoneaz, prinurmare sistemelor de combustie i de depozitarea acestuia li se impun condiii stricte desiguran.

Cu toate acestea trebuie sfie clar cH2 nu este

mai periculos dect combustibilii utilizai nprezent, iar sub unele aspecte chiar mai puinprimejdios.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

43/60

43


Metode de stocare a hidrogenului Hidrogenul poate fi stocat n urmtoarele

moduri1. Hidrogen pur :

Ca un gaz comprimat (hidrogen gazos = GH2) nbutelii de presiune

Ca hidrogen lichefiat (= LH2) n butelii din oel inox

n hidruri metalice (metalic)

Pe termen lung, n nanofibre de carbon sau

nanotuburi de carbon

7/24/2019 SER_Curs9_2015

44/60

44


Metode de stocare a hidrogenului2. Pe cale chimic:

Hidruri metalice casruri

Fier spongios

Ciclohexan de metil

Amoniac

Etanol

Metanol

Gaz natural

Petrol Diesel

7/24/2019 SER_Curs9_2015

45/60

45


Metode de stocare a hidrogenului

7/24/2019 SER_Curs9_2015

46/60

46


Metode de stocare a hidrogenului Hidrogenul a fost cu succes stocat n stare gazoas

timp de muli ani. De obicei, se utilizeazbuteliicilindrice sau rotunde la presiuni ntre 200 i 350 bar(cu 700 bar posibil n viitor).

Buteliile de presiune sunt disponibile pe piacudimensiuni cuprinse ntre 10 i 50 de litri. Ele seconstruiesc de obicei din oel aliat de molibdenum decrom. Greutatea unei astfel de butelii goale de 50 delitri este de 61kg. Hidrogenul gazos stocat n acest tipde butelie adaugo greutate de numai 0.75 kg i areun volum de 8,900 litri n condiii normale

7/24/2019 SER_Curs9_2015

47/60

47


Metode de stocare a hidrogenului

7/24/2019 SER_Curs9_2015

48/60

48


Metode de stocare a hidrogenului Buteliile fcute din materiale compozite n loc de

oel, sunt mai uoare dar mult mai scumpe. Aceste butelii compozite au nuntru o cuv: un

container integrat fcut din oel, aluminiu sauplastic. Aceasta are rolul de a preveni scprile.

Cea mai mare solicitare mecanicce apare

datoritpresiunii interioare este anihilatprinfibre de carbon ce acoper, cuva n mai multestraturi.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

49/60

49


Metode de stocare a hidrogenului Dacdensitatea de energie se dorete a fi ct mai

mare posibil, hidrogenul poate fi lichefiat pentrustocare.

Energia necesarlichefierii este echivalentcu otreime din energia stocat, iar butelia trebuie sfiefoarte bine izolat.

Soluia este de a utiliza doubutelii concentrice din oelinoxidabil. Aerul dintre cele doueste evacuat pentru a

reduce transferul termic. n plus este adugat un stratizolator de civa centimetri grosime (covor de aluminiustratificat din fibre de sticl).

7/24/2019 SER_Curs9_2015

50/60

50


Metode de stocare a hidrogenului n ciuda izolaiei, se manifesto uoarpierdere

de cldurn butelie. Creterea temperaturiiconduce la creterea presiunii n butelie.

Odatatinspresiunea maximde funcionare(aproximativ 5 bari), se deschide o valvdesiguranreducnd aceastpresiune.

Valva lassiashidrogenul gazos pncndpresiunea buteliei scade la valoarea normal.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

51/60

51


Metode de stocare a hidrogenului Dar de fiecare datcnd valva se deschide, o

parte din hidrogen se pierde. Partea pierduteste referitca pierdere prin evaporare.

Raportul de evaporare este de aproximativ 1-2%pe zi, din volumul total.

Buteliile mari au o perioadde stocare mult maimare prin raportul mai bun suprafa/volum.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

52/60

52


Metode de stocare a hidrogenului Cteva metale i componente metalice pot

absorbi hidrogenul precum un material spongios.n proces, atomii de hidrogen sunt fixai ntreatomii de metal.

Hidrogenul este absorbit atunci cndtemperatura scade i se degajeazcnd se

nclzete. Un dezavantaj a acestei tehnici de stocare este

greutatea foarte mare a hidrurilor metalice.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

53/60

53


Metode de stocare a hidrogenului Rezervoarele cu aliaj sunt alimentate cu gaz, pe

msurce se formeazhidrura de metal presiunean container crete (datorithidrogenuluineconsumat).

Procesul este exotermic, respectiv necesitrcirei are loc n cteva minute, la presiune practicconstant.

Durata procesului depinde de dimensiunilesistemului i de rcire (pentru unele cazuri estesuficiento simplventilare cu aer).

7/24/2019 SER_Curs9_2015

54/60

54


Metode de stocare a hidrogenului Atunci cnd e nevoie de hidrogen, vasul se

conecteazla o pilde combustie. Procesul inverseste ns, endotermic.

Ciclul poate fi repetat de sute de ori, cu condiia ca

gazul furnizat sfie pur. Principalul avantaj al hidrurilor este sigurana

acestora. Chiar dacrezervorul se sparge, scurgerile

de gaz vor fi minimale, deoarece procesul dedehidratare este urmat de rcirea sistemului, fapt cencetinete sau chiar stopeazeliberarea

hidrogenului.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

55/60

55


Metode de stocare a hidrogenului Nanofibrele de cabon (sau carbonul activat) au

fost ntotdeauna utilizate ca material absorbant,nspentru stocarea hidrogenului, acestea s-audovedit a fi practic ineficiente, cu toate cteoretic

ar fi putut purta o ncrcturenormde gaz.ncepnd cu anii 80, au fost dezvoltate diferitetipuri de fibre i s-au realizat nenumrate

experiene. ns, numai ncepnd cu 2001 cercetrile au

demonstrat roproductibilitate.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

56/60

56


Metode de stocare a hidrogenului Prin urmare n prezent sunt aplicabile doar trei

metode directe de stocare a hidrogenului: sub form de gaz,

lichid criogenic,

n form de hidrur de metal.

Beneficiile pilelor de combustie

7/24/2019 SER_Curs9_2015

57/60

57


pe hidrogenAtunci cnd e vorba de a transforma

combustibilul n energie, pila de combustieeste de doupnla trei ori mai eficientdect motorul cu ardere intern, de aceea

este unul din motivele pentru care fiecareproductor important de automobile din lumeinvestete n dezvoltarea pilelor de combustie.

Pilele de combustie pot oferii beneficiisemnificative fade tehnologiile tradiionale,printre care:


7/24/2019 SER_Curs9_2015

58/60

58


pe hidrogen Eficiensuperioara combustibilului,

Pilele de combustie pe hidrogen au emisii

zero sau aproape de zero, n comparaie cu

motoarele cu ardere intern,

Versatilitate pilele de combustie pe hidrogen

pot fi folosite n aplicaii mici, portabile

staionare i de transport,


7/24/2019 SER_Curs9_2015

59/60

59


pe hidrogen Cost de ntreinere redus, datoritpuinelor

piese n micare,

Construcie modular, care permite pentru un

premic producerea de volume mari,

Liberti de proiectare i,

Funcionare silenioas.

7/24/2019 SER_Curs9_2015

60/60

60


Sfritul cursului.

Mulumiri, pentru rbdarea i atenia dvs.!

ser_curs9_2015

Documents