za koliko let zadoščajo poznane zaloge goriv ob ...lab.fs.uni-lj.si/kes/napredne_tehnologije_v_energetiki/NTE_GC.pdf · SHRANJEVANJE DISTRIBUCIJA UKAPLJEVANJE TRANSPORT LH 2

Napredne tehnologije v energetiki

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Katedra za energetsko strojništvo

1

RJAVI PREMOG

LET

ČRNI PREMOG

URAN

ZEMELJSKI PLIN

konvencionalni

konv. + nekonv.

NAFTA

konvencionalni

konv. + nekonv. vse potrjene

zaloge

komercialne

zaloge

Statistične zaloge goriv: – za koliko let zadoščajo poznane zaloge goriv ob upoštevanju vsakokratne letne porabe

posameznega nosilca energije




2

FOSILNAGORIVA

ODPADKIJEDRSKAENERGIJA

NOTRANJAENERGIJA

ZEMLJE

INDIREKTNASONČNA

ENERGIJA

DIREKTNASONČNA

ENERGIJA

zemeljski plin, nafta, premog uran geotermalna voda biomasa

TOPLOTA

zbiralnikienergije

fotovoltaikatermočlen

ELEKTRIČNA ENERGIJA

generatormotor

VODIK, H2

elektrolizareformer

gorivna celica

delna oksidacijaavtotermično ločevanjeločevanje s paro

hidroliza, fermentacijauplinjanje

bioplin

pot.en.vodeveter,valovi,tokovi,valovi

GRAVITACIJA

bibavica

parnaturbina

plinska turbina(nizkotemperaturni

krožni proces)

Stirlingmotor

MHD termoionskigenerator

MEHANSKO DELO

vodneturbine,vetrnice

Diesel in Ottomotor

plinska turbina(visokotemperaturni

krožni proces)

Primarni viri energije

H2 ni primarni vir energije!




Tilen Mržljak

OZADJE PROBLEMA

• Povečevanje deleža OVE v prihodnosti

• Pomanjkljivosti sistemov z OVE

• naključna narava OVE • nezanesljivost virov in

infrastrukture • neusklajenost s porabo

• Potreba po sistemih za shranjevanje (električne) energije

• večja učinkovitost izrabe OVE • večja zanesljivost delovanja sistema • različne tehnologije

• ČHE • vodikove tehnologije • baterije • vztrajniki • ...

PRENOSNO OMREŽJE

ČHE

TE JE

DISTRIBUCIJSKO OMREŽJE

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

MHE

vetrne elektrarne

sončne elektrarne

biomasa

SPTE - ORC

SPTE - parna turbina

SPTE - upl. stirling

SPTE - upl. MNZ

SPTE - upl. GC

fosilna goriva

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

H2 INFRASTRUKTURA

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

PROMET

BAT

GC

PROMET

BAT

GC

BATERIJE

SHRANJEVANJEVODIKA

GORIVNE CELICE

H2/DC DC/AC

reformiranje + čiščenje




4

GORIVO Les Premog Nafta Zemeljski plin VODIK

Vsebnost H2 %

Kaloričnavrednost

MJ/kg

Emisijadelcevg/MJ

Relativnaemisija CO2

141,8

0

0

5 50 67 80 100trend povečevanja vsebnosti vodika v gorivih

trend prehoda na energijsko močnejša goriva

52,344,223,216,0

trend zmanjševanja lokalnega vpliva na okolje2,23 2,15 0,08 < 105 ppm

trend zmanjševanja globalnega vpliva na okolje100

21 15

čas

ZAKAJ VODIK?




5

Ekonomija vodika

SONCE ZEM. PLIN PREMOG SUROVA NAFTA BIOMASA

EL. ENERGIJA BENCIN DIESEL METANOL

ELEKTROLIZA

H O2

REFORMIRANJE UPLINJANJE

C H + H OX Y 2

KOMPRIMIRANJE TRANSPORT

GH2

SHRANJEVANJE DISTRIBUCIJA

UKAPLJEVANJE TRANSPORT

LH2

SHRANJEVANJE DISTRIBUCIJA

ENERGIJSKIVIRI

PROIZVODNJAVODIKA

LOGISTIKAVODIKA

GORIVNE CELICE TOPLOTNI STROJI

STACIONARNE ENOTE TRANSPORTPRENOSNIKI

UPORABAVODIKA




6

PRIDOBIVANJE IN PORABA VODIKOVIH GORIV

VODNAVETRNASONČNA

OBNOVLJIVAENERGIJA

NEOBNOVLJIVAENERGIJA

BIOMASA

NAFTA

PREMOG

JEDRSKA EN.

ELEKTROLIZA

REFORMIRANJE

KAPLJEVITA GORIVA

UPLINJANJE/PIROLIZA+REFORMIRANJE

PRETVORBA NAMESTU PORABE

ZEMELJSKI PLIN

CENTRALNAPRETVORBA

CISTERNE

CEVOVODNO OMREŽJE




Tilen Mržljak

DEFINICIJA PROBLEMA

•V okviru CONOT poteka na lokaciji vodikarne TEŠ postavitev demonstracijskega laboratorija za simulacijo naprednih energetskih sistemov.

• Elektrolizer in hranilnik vodika + krmilnik + gorivna celica z merilnim sistemom.

• Naš glavni cilj: eksperimentalno raziskati obratovalne in energijske karakteristike realnega, komercialnega elektrolizerja ter kritično oceniti njegovo vlogo v napredni energijski oskrbi.

sončne elektrarne

P

t

P

t

P

t

P

t

P

t

RAČUNALNIŠKI SIMULACIJSKI SISTEM

KRMILNIK

ELEKTROLIZER

SHRANJEVANJE VODIKA 25 bar

GORIVNA CELICA (UPS)

ELEKTRONSKO BREME

KOMPRESOR

JEKLENKE 200-300 bar

POLNILNO MESTO TEŠ

Vodikove tehnologije v napredni energijski oskrbi

raziskovalna oprema CO NOT




VSEBINA

1. Tehnološke poti pridobivanja vodika

- značilnosti posamezne tehnologije

- osnovni energetski viri

- omejitve

2. LCA – študije življenjskih ciklov tehnologije

- predstavitev metodologije

- programsko okolje GaBi 4

3. Rezultati

- poraba energetskih virov

- vrednotenje s stališča okoljske problematike (LCA)

- lastna cena proizvedenega vodika (LCC)




1. Tehnologije pridobivanja vodika primerne za Slovenijo

A. Reformiranje zemeljskega plina s paro

B. Uplinjanje velenjskega lignita

C. Termokemično uplinjanje lesne biomase

D. Piroliza lesne biomase

E. Kombinirani proces pirolize in uplinjanja lesne biomase

F. Elektroliza

• z el. energijo iz jedrske energije (JEK)

• z el. energijo iz hidro energije (HE)

• z el. energijo iz termoelektrarn (TE)

• z el. energijo iz slovenske energijske mešanice (SI-MIX)

biomasa




A. Reformiranje zemeljskega plina (ZP) s paro

Komprimiranje,razžvepljevanje

Zemeljski plin

Električnaenergija

REFORMERReformiranje s paro

gorivo za gorilcesintezni

plin

KOTELNI SISTEM

Ohlajanje dimnihin procesnega plina

višek pare

dimni plini

VT konverzija“Shift - reaction”

Ohlajanje

Vezava,ločevanje CO2

demi voda

para

Demi voda

voda

CO2

Čiščenje H -

PSA2

ostanek čiščenja vodika(na gorilce)

očiščenvodik

Hladilna voda

VodikKomprimiranje

• trenutno > 50 % vodika iz ZP

• verjetna rešitev v bližnji prihodnosti

• ZP ima ugodno razmerje H:C = 4:1

DVA OSNOVNA KORAKA

• reakcija s paro in tvorba sinteznega

plina (H2 + CO)

• vodno-plinska pretvorba (škodljivost

CO in njegova pretvorba v CO2)

ČISTOST (99,99 %) zagotovimo z

Pressure Swing Absorption

KOMPRIMIRANJE na 450 bar




B. Uplinjanje velenjskega lignita

• zaloga lignita še za 20 let (80 mio ton)

• kurilnost: 10,5 MJ/kg

ZNAČILNOSTI

• potrebujemo kisik (Lindejev postopek - XY)

• Visokotemperaturno uplinjanje Winkler (1300 stC, 3 bar)

• Sintezni plin:

– CO: 31,7 %

– CO2: 24,9 %

– H2O: 36,5 %

– H2: 2,3 %

– ostalo: N, SO2, katran, prah

• mokro in suho čiščenje SP

• PSA

Pepel

Demi voda

Vodik

Odpadnavoda

Odpadniplin

UplinjanjePripravalignita

Čiščenje in hlajenjeplina

Shift reakcija

Čiščenje H - P.S.A.2para

Električna

energija

Toplotna

energija

Lignit

Kisik

pralna vodasintezni

plin

sintezniplin

sintezni

plin

para

sintezniplin

Komprimiranje H2

očiščenvodik




Postopki pridobivanja z biomaso



E. Kombinacija uplinjanja in pirolize lesne biomase

• 57,7 % površine Slovenije je gozd1

• Trajnostna izraba: 3.023.125 ton / leto1

• Uporabljen svež les 40 % vlažnosti in kurilnosti 10,3 MJ/kg

1) Vir: Zavod za gozdove Republike Slovenije





• proces podoben kot uplinjanje lignita

(ne potrebujemo mokrega in suhega čiščenja za SP)

Pepel

Demi voda

Vodik

Odpadnavoda

UplinjanjePripravalesa

Shift reakcija

Čiščenje H - P.S.A.2para

Električna

energija

Lesna biomasa

Kisik

sintezniplin

sintezni

plin

sintezniplin

Para

paraHladilna voda

Zgorevanjeodpadnih plinov

Dimni plini

Zrak

Komprimiranje H2

• proizvedene pare več kot za potrebe sistema –

obravnavamo kot stranski produkt





• brez prisotnosti kisika pri visokem tlaku in temperaturi

• produkti: sintezni plin, pirolizno olje in oglje

• nekaj oglja je stranski produkt – porabimo v

druge namene

Sušenjelesa

Piroliza

Demi voda

Reforming

Shiftreakcija

Zgorevanjeoglja

Fazniseparator

Komprimiranje

P.S.A.Zgorevanjeodp. plinov

Lesna

biomasa

Vodik Dimniplini

Dimniplini

VodnidestilatOglje

Električna

energija

Zrak

para

para

sintezni plin

pir.

olje

VODIK POTREBNA

TOPLOTA




E. Kombinacija uplinjanja in pirolize lesne biomase

• uplinjanje nastalega oglja po pirolizi

• toploto dobimo z zgorevanjem biomase – večja poraba

Sušenjelesa

Piroliza

Demi voda

Reforming

Shiftreakcija

Fazniseparator

Komprimiranje

P.S.A.Zgorevanjeodp. plinov

Lesna

biomasa

Vodik Dimniplini

Dimniplini

Električna

energija

Zrak

para

para

sintezni plin

pir.

olje

Uplinjanjeoglja

Demi voda

Gorenjelesa

para

Kisik

sin

tezn

i p

lin s

inte

zn

i

plin




F. Elektroliza

• 4 viri električne energije:

– slovenske energijske mešanice (SI-MIX)

– termoelektrarne (TE)

– hidroelektrarne (HE)

– iz jedrske elektrarne (JE)

Elektroliza

katoda: H O + 2e2

-H + 2OH2

-

anoda: 2H O2 O + 4e + 4H2

- +

2H O2 2H + O2 2

Električna

energija

Voda

Vodna para

H2

O2

Hladilna

voda

Komprimiranje H2Vodik

Ideja: Izkoriščanje viška električne energije!




2. LCA analiza - študije življenjskega cikla tehnologij

Metoda za kvantitativno oceno vpliva uporabljene tehnologije glede na

Nabavo surovin

Postopek recikliranja

Proizvodno fazo

Distribucijo

Fazo uporabe

ŽIV

LJE

NJS

KI

CIK

EL

TE

HN

OL

OG

IJE

Ocenitev vpliva tehnologije na okolje skozi njeno življenjsko dobo ter s tem:

- povečati izkoristek izrabe surovin (sredstev) in primarnih virov energije

- zmanjšati emisije, stroške posameznih procesov, …

Standardi:

ISO 14040

ISO 14041

ISO 14042

ISO 14043

ISO 14044 an

aliz

a o

d v

rtin

e

do

tan

ka




Faze LCA študije

Neposredna uporaba:- razvoj produktov- načrtovanje strategije- marketing- ostalo

Študija življenjskega cikla tehnologije

Faza interpretacije

1.

2.

Identifikacijabistvenih parametrov

Vrednotenje glede na:- obseg- občutljivost- združljivost- ostalo

Zaključki,priporočila in

poročila

cilji inobseg

obravnave

Analizainventarja

Ocenavplivov

CILJI IN OBSEG:

- vzrok in namen raziskave

- uskladitev ciljev, obsega in območja projekta

- določitev metode za oceno vplivov na okolje

ANALIZA INVENTARJA:

- definicija energijskih in materialnih tokov

- definicija emisij, odpadkov in ostalih izhodnih tokov

OCENA VPLIVOV:

- vrednotenje po izbrani metodologiji (CML 2001)

- pretvorba kvantitativnih podatkov v kvalitativne




Uplinjanje lesne biomase z zgorevanjem obp. plinovGaBi 4 p roc ess plan:R eferenc e quantities

T he names of the basic proc esses are shown.

44,737 kg

26,316 kg

42,684 kg

29,592 kg

30,592 kg

36,474 kg

0,00025534 kg

0,44504 Nm3

1 kg

0,00091921 kg 1 kg

36,474 kg

9,25 kg

5,8947 kg

21,329 kg

28,596 MJ

52,21 MJ0,1522 MJ

12,053 MJ11,408 MJ

1E-010 MJ

21,342 kg

Svez les

pMletje in susenje lesa pUplinjanje lesa

Prenosnik toplote

Shift reakcija

Visek pare

P.S.A.

XZbiralnik H2

DE: Water deionized PE

pDE: H2 compressor

(diaphragma) PE [b]

GLO: Compressed air 7

bar (low power consumption)

PE [b]

DE: Diaphragma

production PE

EU-15: Lubricants at

refinery PE

Slovenska mesanica

elektricne energije

Programsko okolje GaBi 4 Izdelava bilančnih shem za pridobivanje vodika




Inp

ut-

i O

utp

ut-

i

LCA: masni, energijski tokovi

TEHNIČNE VELIČINE

- št. kosov, masa, volumen

- energija

OKOLJSKE VELIČINE

- GWP (global warming potential)

- AP (aditification potential)

- toksini

- težke kovine

ODP (ozone depletion potential)

EKONOMSKE VELIČINE

- stroški in lastna cena

Prikaz rezultatov – masni in energijski tokovi




3. Analiza rezultatov – pridobivanje vodika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Mas

a /

k

g

Neobnovljivi viri skupaj 5,21001636 7,055476757 4,931562099 27,29371837 8,334226672 0,432864321 0,992688193 25,80304644 76,86028753

Obnovljivi viri skupaj 33,61348566 44,73689213 18,02080874 4,47835E-05 3,98847E-05 0,001270092 0,001328715 0,001288732 0,001250911

Voda 8,5042 36,474 11,408 19,556 17,501 8,05 8,05 8,05 8,05

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina

Elektroliza -

HE

Elektroliza -

NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

- obnovljivi viri predvsem zaradi prisotnosti biomase

- poraba vode pri uplinjanju malo višja (ohlajanje SP – para!)

- neobnovljivi viri najvišji pri elektrolizi s TE

Poraba energijskih virov za 1kg vodika




0

10

20

30

40

50

60

70

80

Mas

a /

k

g

Surova nafta 0,0281 0,0439 0,0275 0,0397 0,0487 0,1023 0,1801 0,2157 0,1063

Črni premog 0,3883 0,5347 0,3688 0,4028 0,3256 0,1088 0,3958 1,9783 0,1264

Lignit 4,7116 6,3567 4,4564 26,7470 3,8586 0,0288 0,1152 23,0347 76,2187

Zemeljski plin 0,0819 0,1200 0,0788 0,1041 4,1012 0,1929 0,3002 0,5739 0,4089

Uran 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001 0,0000 0,0013 0,0005 0,0000

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina

Elektroliza - HEElektroliza -

NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

- pri biomasi neobnovljivi zaradi porabe el. energije iz neobnovljivih virov

- uplinjanje lignita manjšo porabo neobnovljivih kot elektroliza iz TE

- neobnovljivi pri JE zaradi proizvodnje materialov in pridobivanje urana

- pri elektrolizi iz HE neobnovljivi pri izgradnji elektrarne

Poraba NEOBNOVLJIVIH energijskih virov za 1kg vodika




0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Mas

a /

kg

Obnovljivi viri skupaj 3,361E+01 4,474E+01 1,802E+01 4,478E-05 3,988E-05 1,270E-03 1,329E-03 1,289E-03 1,251E-03

Obnovljiva goriva 1,507E-07 2,953E-07 1,657E-07 2,078E-07 1,972E-07 1,067E-07 1,067E-07 1,067E-07 1,067E-07

Les (biomasa) 3,361E+01 4,474E+01 1,802E+01 4,458E-05 3,969E-05 1,270E-03 1,329E-03 1,289E-03 1,251E-03

Voda 8,5042 36,474 11,408 19,556 17,501 8,05 8,05 8,05 8,05

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje

lesne biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina

Elektroliza -

HE

Elektroliza -

NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

Poraba OBNOVLJIVIH energijskih virov za 1kg vodika

- pri uplinjanju največja poraba lesne biomase

- pri pirolizi vodimo oglje iz sistema kot ostanek

- pri kombinaciji izraba lesne biomase največja




Potencial GLOBALNEGA SEGREVANJA (GWP) pri proizvodnji 1kg vodika

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Mas

a /

k

g C

O2 e

kv

.

GWP (kg CO2 ekv.) 23,5107 35,5720 23,1060 26,0293 12,3129 2,6185 3,1126 32,3003 82,0750

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina


NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

- Najmanjši GWP povzroča elektroliza iz HE, sledi ji elektroliza iz NEK;

- največji GWP povzroča elektroliza iz TE

- največji povzročitelj pri vseh tehnologijah je pretežno CO2 pa tudi metan ter dušikov oksid

- reformiranje ZP nizko vrednost zaradi ugodnega razmerja C:H = 1:4

- CO2 iz lesne biomase ima v okviru trajnostne rabe nično vrednost na GWP

- uplinjanje lignita je manjši povzročitelj GWP kot elektroliza iz SI-Mixa

- elektroliza iz TE povzroča 3x večji GWP kot uplinjanje lignita




0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

Mas

a /

k

g S

O2 e

kv

.

AP (kg SO2 ekv.) 0,1320 0,1773 0,1248 0,1248 0,1163 0,0089 0,0167 0,6550 1,9880

Piroliza lesne

biomase

Uplinjanje lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

uplinjanja lesne

Uplinjanje

lignita

Reformiranje

zemeljskega

plina


NEK

Elektroliza - SI

mixElektroliza - TE

Potencial ZAKISLJEVANJA OKOLJA (AP)




LCC (Life Cycle Costing) – Lastna cena 1 kg proizvedenega vodika

1,26

0,97

4,34

3,25

1,91

1,55

3,32

1,08

1,94

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Reformiranje

zemeljskega

plina

Uplinjanje

velenjskega

lignita

Uplinjanje

lesne biomase

Piroliza lesne

biomase

Kombinacija

pirolize in

ulinjanja lesne

biomase

Elektroliza

HE

Elektroliza TE Elektroliza

NEK

Elektroliza SI-

MIX

Uporabljen tehnološki postopek

Cen

a 1

kg

vo

dik

a

/ €

/kg

Energijski vir Cena

Voda (DEMI, Slana) 0,43 EUR/m3

Električna energija iz SI-MIX 36,48 EUR/MWh

Električna energija iz HE (Soča, Drava, Sava) 29,248 EUR/MWh

Električna energija iz TE (TET, TEB, TEŠ, TE-TOL) 62,543 EUR/MWh

Električna energija iz NEK 20,3 EUR/MWh

Zemeljski plin 0,0931 EUR/Sm3

Lignit 2,57 EUR/GJ

Biomasa 28 EUR/nm3




LCC (Life Cycle Costing) – Cena energentov v EUR/MWh

9,3

25,0

97,1

10,0

32,6

25,1

112,4

84,2

49,4

85,9

27,9

40,2

50,2

0

20

40

60

80

100

120

Lign

itLe

s

Naf

ta (E

L) ZP

H2

- ref

orm

iranje

ZP

H2

- uplinjanje

velens

kega

lign

ita

H2

- uplinjanje

biom

ase

H2

- piro

liza

biom

ase

H2

- kom

bina

cija p

iroliz

e in u

plinjanja

H2

- eletro

liza

TE

H2

- eletro

liza

NEK

H2

- eletro

liza

HE

H2

- eletro

liza

SI-M

IX

Gorivo

Cen

a v

EU

R/M

Wh




28

Tipi gorivnih celic in njihova uporaba

H2 H O2 H2 H2 H2 H O2 H2 H O2

CO CO2 CO CO2

Alkalnegorivnecelice

Polimernegorivnecelice

Fosforno-kislinskegorivnecelice

Karbonatnegorivnecelice

Keramičnegorivnecelice

O2 O2 H O2 O2 H O2 O2 O2CO2 zrak

OH-

H+

H+

CO3

-O2

-

Oksidant

Gorivo

Anoda

Elektrolit

Katodae

-

e-

R

I

AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC

Tipgorivnecelice

Mednarodnouveljavljena oznaka

Temperatura 80 °C 80 °C 200 °C 650 °C 1000 °C

TRANSPORT

PRENOSNIKI

DMFC

HIŠNA

KOGENERACIJA

MANJŠE

KOGENERACIJE

VEČJE STACIO-

NARNE ENOTE




29

GORIVNE CELICE – ZGODOVINSKI MEJNIKI UPORABE

1800 Johan W. Ritter – elektroliza




30


1839 Sir William Grove – gorivna celica





31



od 1965 (AFC) – uporaba v vesoljski tehniki





32



od 1965 (AFC) – uporaba v vesoljski tehniki

od 1982 (PEMFC); uporaba AFC v podmornici





33

Neprepustna

membrana

+ - Električno

breme

Zrak ali kisik

(navlažen)

Vodik

(navlažen)

Prebitni zrak ali kisik

+ voda Prebitni vodik

Razdelilec plina

Difuzijski sloj Katalitski

sloj

H2 2H+ + 2e- 1/2O2 + 2H+ + 2e- H2O

Anodna reakcija Katodna reakcija

Kako deluje PEM gorivna celica?

Gorivne celice in prehod na H2 tehnologijo




34

Energijska karakteristika

Pri delnih obremenitvah izkoristek narašča!

1,23 V teoretična razcepna napetost

napetost "prostega teka"0,6-0,9 V

Tok / A

Nap

eto

st

/ V

prenapetost: elektro-kemične izgube

Ohmski upor

Razpoložljiva napetost

Mo

č / W

Moč

Napetost(izkoristek)

Tok / A

Nap

eto

st

/ V


Ohmski upor


Mo

č / W

Moč


Tok / A

Nap

eto

st

/ V


Ohmski upor


Mo

č / W

Moč


Tok / A

Nap

eto

st

/ V


Ohmski upor


Mo

č / W

Moč


Tok / A

Nap

eto

st

/ V


Ohmski upor


Mo

č / W

Moč


Tok / A

Nap

eto

st

/ V


Ohmski upor


Mo

č / W

Moč





35

Gorivna celica in sklop gorivnih celic


sklop

gorivna celica




36

sklop

gorivna celica

ANALOGIJA:

BATERIJA GORIVNA CELICA

Gorivna celica

KONČNA ZALOGA GORIVA TRAJEN DOVOD GORIVA (H2) IN KISIKA

TER ODVOD VODE

Baterijski vložek





37

Direktna pretvorba energije brez vmesne toplote!

PRIMERJAVA TEORETIČNIH PROCESOV

TOPLOTNI STROJ

kemična notranjaenergija goriva

TOPLOTA

mehansko delo

električna energija

kemičnapretvorba

mehanskapretvorba

električnapretvorba

GORIVNA CELICA

kemična notranjaenergija goriva

električna energija

elektro-kemična

pretvorba

100

40

60

80

Izko

riste

k

/ %

Gorivne celice - teoretično

To

plo

tni str

oji: C

arnot-ov

kro

žni p

roces

20

0 200 400 600 800 1000

Temperatura / °C




38

60

70

50

40

10

20

30

0

10 102

103

104

105

106

Izk

ori

ste

k

/

%

Elektri o / kWčna m č

PEMFC (H2)

PEMFC

SCFC / MCFC

PAFC

Plinski motor

Plinska tu

rbina

SCFC / MCFC +

+ Kombinirano

Kombinirano postrojenje

Parno postrojenje

PRIMERJAVA DEJANSKIH PROCESOV

MESTNI MEŠANI AVTOCESTA

REŽIM VOŽNJE

IZK

OR

IST

EK

/

%

0

50

sis

tem

gor

ivnih celic

moto

r z

notr

a

nje

nji

va

m z

gore

m

Sektor elektroenergetike Sektor transporta




39

Stacionarni

(kogeneracijski)

sistemi

Transport Prenosne enote

Elektrarne

> 50 kW Hišna oskrba

< 50 kW

Osebna vozila

< 100 kW

Javni transport

< 50 kW

Ladje in

podmornice < 2 MW

Kampiranje

1kW

Prenosniki (50 W) in

mobilni telefoni (2 W)




40

Učinkovitost izrabe energije goriva v različnih

pogonskih sistemih za vozila (WTW analiza)

Zakaj gorivne celice?




41

KOMERCIALIZACIJA GORIVNIH CELIC




Močnostni modul gorivne

celice -18 kW vsebuje:

• Gorivno celico 10 kW

• Superkondenzatorji –

peak power 18 kW

• Rezarvoar za čisti vodik -




Fuel Cell

Stack Super-

capacitors

Hydrogen

Storage

Heat

Exchanter

Hydrogen and

Air Management




44

sklop

gorivna celica

elektrolitvodik

kisik

bipolarnaplošča

krmiljenje ventilatorji prenosniki toplote DC/AC pretvorniki

...

jedrna tehnologija




45

Gorivne celice kot most med staro in novo paradigmo energetske oskrbe

FOSILNAGORIVA

ODPADKIJEDRSKAENERGIJA

NOTRANJAENERGIJA

ZEMLJE

INDIREKTNASONČNA

ENERGIJA

DIREKTNASONČNA

ENERGIJA

zemeljski plin, nafta, premog uran geotermalna voda biomasa

TOPLOTA

zbiralnikienergije

fotovoltaikatermočlen

ELEKTRIČNA ENERGIJA

generatormotor

VODIK, H2

elektrolizareformer

gorivna celica

delna oksidacijaavtotermično ločevanjeločevanje s paro

hidroliza, fermentacijauplinjanje

bioplin

pot.en.vodeveter,valovi,tokovi,valovi

GRAVITACIJA

bibavica

parnaturbina

plinska turbina(nizkotemperaturni

krožni proces)

Stirlingmotor

MHD termoionskigenerator

MEHANSKO DELO

vodneturbine,vetrnice

Diesel in Ottomotor

plinska turbina(visokotemperaturni

krožni proces)

Primarni viri energije




46

Pomen “shranjevanja” električne energije za delovanje sistema

porabniki poraba energije

razpoložljiva energijaiz obnovljivih virov

dodatna energija

H2

shranjena energija

hidroelektrarne

termoelektrarne

biomasavetrne elektrarne sončne elektrarne

transport




ČHE

TE JE

PRENOSNO OMREŽJE


porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

Enosmerna energijska oskrba




Vključevanje razpršenih virov energije v distribucijsko omrežje

ČHE

TE JE

PRENOSNO OMREŽJE


porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

MHE

vetrne elektrarne

sončne elektrarne

biomasa

SPTE - ORC



SPTE - upl. MNZ

SPTE - upl. GC

fosilna goriva




Vodikova infrastruktura

ČHE

TE JE

PRENOSNO OMREŽJE


porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

MHE

vetrne elektrarne

sončne elektrarne

biomasa

SPTE - ORC



SPTE - upl. MNZ

SPTE - upl. GC

fosilna goriva

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

H2 INFRASTRUKTURA

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

IDEJA




Vzpostavitev vodikovih tehnologij

ČHE

TE JE

PRENOSNO OMREŽJE


porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

MHE

vetrne elektrarne

sončne elektrarne

biomasa

SPTE - ORC



SPTE - upl. MNZ

SPTE - upl. GC

fosilna goriva

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

H2 INFRASTRUKTURA

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

PROMET

BAT

GC

PROMET

BAT

GC

BATERIJE

SHRANJEVANJEVODIKA

GORIVNE CELICE

H2/DC DC/AC


IDEJA





ČHE

TE JE

PRENOSNO OMREŽJE


porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

porabniki

gospodinjstva

porabniki

javni sektor

porabniki

gospodarstvo

MHE

vetrne elektrarne

sončne elektrarne

biomasa

SPTE - ORC



SPTE - upl. MNZ

SPTE - upl. GC

fosilna goriva

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

H2 INFRASTRUKTURA

ELEKTROLIZA

AC/DC DC/H2

PROMET

BAT

GC

PROMET

BAT

GC

BATERIJE

SHRANJEVANJEVODIKA

GORIVNE CELICE

H2/DC DC/AC


IDEJA




52 Tilen Mržljak

DEFINICIJA PROBLEMA

•V okviru CONOT poteka na lokaciji vodikarne TEŠ postavitev demonstracijskega laboratorija za simulacijo naprednih energetskih sistemov.

• Elektrolizer in hranilnik vodika + krmilnik + gorivna celica z merilnim sistemom.

• Naš glavni cilj: eksperimentalno raziskati obratovalne in energijske karakteristike realnega, komercialnega elektrolizerja ter kritično oceniti njegovo vlogo v napredni energijski oskrbi.

sončne elektrarne

P

t

P

t

P

t

P

t

P

t

RAČUNALNIŠKI SIMULACIJSKI SISTEM

KRMILNIK

ELEKTROLIZER

SHRANJEVANJE VODIKA 25 bar

GORIVNA CELICA (UPS)

ELEKTRONSKO BREME

KOMPRESOR

JEKLENKE 200-300 bar

POLNILNO MESTO TEŠ


raziskovalna oprema CO NOT




53

Temno nebo

Kisel dež

Uničeno okolje

Cestni tovorni promet

Vremenske ujme

R. Sokolow, S. Pacala: A

Plan to Keep Carbon in

Check, Scientific American,

sep. 2006

Veliki (potratni) avtomobili

in veliki zastoji v prometu




54

Čisto nebo s stabilnim vremenskim dogajanjem

Izraba obnovljivih virov energije

Živalski in rastlinski svet v

zraku in vodi

Transport ljudi in tovora z

električnimi vlaki

Vremenske ujme so redke

in obvladljive

Avtomobili na električni

pogon in vodik

Ljudje se gibljejo

Uporaba koles

Razbremenjen cestni

promet (železnica)

R. Sokolow, S. Pacala: A

Plan to Keep Carbon in

Check, Scientific American,

sep. 2006, www.sciam.com




55

premog

nafta

zemeljski plin

jedrsko gorivo

lesna biomasa

vodna energija

energija vetra

nova biomasa

sončna energija

geotermalna energija

odprto

10

tce

9

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

0

10

20

30

40tce ... tona premogovega ekvivalenta

1 tce = 29,3 GJ

EKSPONENTNA RAST PORABE PRIMARNIH VIROV ENERGIJE




56

ENERGY SUPPLY TODAY

ENERGY SUPPLY TOMORROW

Documents

za koliko let zadoščajo poznane zaloge goriv ob ...lab.fs.uni-lj.si/kes/napredne_tehnologije_v_energetiki/NTE_GC.pdf · SHRANJEVANJE DISTRIBUCIJA UKAPLJEVANJE TRANSPORT LH 2