Ūdeņradis kā enerģijas nesējs un degviela elektrības un siltuma ražošanā Jānis Kleperis Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta Ūdeņraža enerģētikas materiālu laboratorija
Ūdeņradis siltuma un elektrības iegūšanai
Saule un ūdeņradis Saules izstarotā enerģija 3.9 x 10 26 W Ūdeņradis ir Saules degviela. Vai mums ūdeņradis var būt degvielas vietā??? 3
Saules prototips uz Zemes ITER (TOKAMAK) Laika skala Laiks Pasākums 2006-11-21 7 dalībnieki vienojjās kodolsintēzes reaktora būvei 2008 Izvēlēta vieta ITER reaktora būvei (Francija, Kadaraša) 2009 Uzsākta vietas sagatavošana 2010 Tokamak kompleksa izrakumi uzsākti 2013 Tokamak konpleksa konstrukcijas sākts veidot 2015 Plānots: Tokamak komplekss tiek palaists 2019 Plānots: Tokamak komplekss tiek atpumpēts 2020 Plānots: Tokamak kompleksā tiek iededzināta plazma 2027 Plānots: Tokamak kompleksā tiek palaista deitērija-tritija sintēze 4
Ūdeņraža gāzes bezliesmas sadegšana apsildes iekārtas Uz platīna katalizatora bez liesmas sadeg ūdeņradis un arī vieglākie ogļūdeņraži (metāns, butāns u.c.): 2H 2 + O 2 (gaiss) 2H 2 O + Q (siltums) CH 4 + 2O 2 (gaiss) 2H 2 O + CO 2 + Q (siltums)
Ūdeņraža gāzes bezliesmas sadegšana apsildes iekārtas Ar Pt porainu katalizatoru pārklāts aktīvais elements, uz kura bāzes tiek nodrošināta H 2 sadegšana bez atklātas liesmas kalorifera siltumspēja 4400 Btu (1.3 kw), patēriņš 45 litri H 2 /stundā; cena 900 USD
Gāzes baterija (fuel cell: kurināmā elements, degšūna) 1838 1839 Christian Friedrich Schönbein Sir William Grove 1896 Wilhelm Ostwald 7
Kurināmā elementu tipi Cietā oksīda (solid oxide SOFC) un kausētu karbonāta sāļu (Molten carbonate MCFC) kurināmā elementi strādā ar ūdeņradi vai ogļūdeņražu degvielām; komercializētas kā koģenerācijas elektrostacijas (1 kw 1 MW); Fosforskābes (Phosphoric acid PAFC) kurināmā elementu šūnas ir vēsturiski pirmās komercializētās (200 kw u.c. koģerācijas (CHP) stacijas Sārma (alkaline AFC); tika izstrādātas Apollo programmai, izmanto arī zemūdenes Polimēru membrānas (polymer membrane PEMC) ir komercializētas pielietojumiem transportā un pielietojumos portatīvā elektronikā u.c. No B. C. H. Steele & A. Heinzel, Nature, 414 (2001) 345
Kurināmā elementu tipi Cieta skābekļa (elektrolīta) kurināmā elements 500 1000 C Starp katodu un anodu ir cietais elektrolīts skābekļa jonu vadītājs augstās temperatūrās; Gaisa skābeklis plūst uz katodu; Degviela, jeb ūdeņradis vai ūdeņradi saturoša gāze (metāns) plūst uz anodu; Skābekļa joni elektriskajā laukā migrē caur elektrolītu līdz anodam un tur reaģē ar ūdeņradi; Ūdens reaģē ar metānu, rodas ūdeņradis un CO 2 ; Ārējā ķēdē plūst elektroni, kas rodas elektroķīmiskajās reakcijās
Kurināmā elementu tipi Kausēta karbonātu sāļu kurināmā elements (Li,K,Na) 2 CO 3 / CO 3 2- ) 650 C Darbojas ar dažādām degvielām (iekšēja reformēšana) Liela efektivitāte Augsta temperatūra (degvielas reformēšanai labi) Pamatmateriāls elektrodiem - niķelis Korodējošs elektrolīts Pieejamas izstrādes Reakcijas: Katods: ½O 2 + CO 2 + 2e CO 3 2- Anods: H 2 + CO 3 = 2H2 O + CO 2 + 2e
Kurināmā elementi stacionārajā enerģētikā Fuel Cell System & Power Module DABASGĀZE Pārvades tīkls Elektroenerģijas piegāde BIOMASSA poligongāze, biogāze, sintētiskā deggāze Aukstums Siltums Destilēts ūdens
Stacionāras kurināmā elementu elektrostacijas Fuel Cell Energy 2 MW MCFC Plug Power 7kW Residential PEFC Siemens-Westinghouse 100kW SOFC UTC Fuel Cells 200kW PAFC Ballard 250kW PEFC Plug Power 10 kw Residential unit No Breakthrough Technologies Institute: www.fuelcells.org
300 kw iekārtas ražo: FuelCell Energy (Danbury, ASV), MTU (Ottobrunn, Vācija) Aptuvenas iegādes izmaksas ap $1,2 miljoniem ($4600/kW) Lielāku izmēru kurināmā elementu sistēmām (jaudām virs 1 MW) izmaksas zemākas: $3000/kW Raksturīgie parametri: Jauda: 300 kw Izvades spriegums: 460, 440, 420, 400, 380 V; 50 Hz Svars: 12 t Izmērs: 6,1 x 8,5 x 4,6 m Trokšņu līmenis: 72 db(a) 3 m attālumā Izplūdes gāzes temperatūra: 700 ± 50 ºC
CHHP sistēma DFC300 ( Fuel Cell Energy, USA) metāns tiek pārveidots elektroenerģijā: 2H 2 O+CH 4 + siltums 4H 2 + CO 2 No H 2 tiek ražota elektroenerģija: 1 / 2 O 2 + CO 2 +2e - CO 3 2- H 2 + CO 3 2- H 2 O + CO 2 + 2e - Darbības temperatūra: 600 650 ºC Litija un kalcija karbonāti; Niķeli saturoši elektrodi Nerūsējošā tērauda separatori un aparatūra. DFC300 degvielas patēriņš 1,1 m 3 /min (1104 l/min), (0,79kg dabas gāzes/min), nozīmē, ka gada laikā kopā tiks patērēts 462500 m 3 vai arī 365375 kg (365 tonnas) metāna gāzes Sistēma gadā spēj saražot 2100 MWh elektroenerģijas, 2012 MWh siltuma, darbojoties ar 85-90% noslodzi
FuelCell Energy ražotās CHHP (combined hydrogen heat and power) sistēmas tiek izmantotas aptuveni 60 vietās pasaulē, kopumā šāda tipa iekārtas 75 (2012.g. dati) Pārtikas rūpnīcas, dažādas ražotnes, viesnīcas, slimnīcas, universitātes Notekūdeņu, biogāzes (no alus un pārtikas apstrādes), dabasgāzes u.c. pārvēršanai enerģijā Kopumā pasaulē ierīkotas ap 580 uz kurināmā elementu tehnoloģiju balstītas stacionāras iekārtas (2012.g. FuelCells.org dati )
Kombinētās siltuma, ūdeņraža un elektroenerģijas sistēmas ieviešana Latvijas Universitātes Dabaszinātņu Akadēmiskajā centrā Latvijas Universitātes komanda: Gints Kučinskis, Māra Gudakovska, Ilze Dimanta, Justs Dimants, Jānis Kleperis jun., Pēteris Tora. Vadītāji: Dr.phys. Janis Kleperis, prof. Dr.oec. Biruta Sloka
Dabaszinātņu korpuss gadā tērēs līdz 800 MWh elektrības un 350 MWh siltuma DFC300 elektrostacija ar biogāzes ražotni no vietējiem atkritumiem
Stacionārā elektrības-siltuma apgādē ūdeņradi jau izmanto tādi koncerni kā: 19
Stacionārā elektrības-siltuma apgāde privātmājām Šveice Vācija, Lielbritānija ene.field projekts FCH JU: 1000 viensētās Eiropā izvietot mikro-fc CHP vienības. Iesaistīti: 20
Portatīvi kurināmā elementu pielietojumi Ballard FC powered laptop Fraunhofer ISE Micro-Fuel Cell Plug Power FC powered video camera MTI Micro Fuel Cells RFID scanner Plug Power FC powered highway road sign No Breakthrough Technologies Institute: www.fuelcells.org
Ūdeņraža Laikmets
MŪŽĪGS ENERĢIJAS AVOTS ŪDENS? Sabiedrības izvēle enerģijas resursu izmantošanā ir vienkārši sekojusi ogļūdeņražu ķēdes vienkāršošanai un ekonomiskajam izdevīgumam. Pēdējās tendences ir vērstas uz oglekļa izslēgšanu no degvielas, jo ogleklis veido lielāko piesārņojuma procentu. Kurināmā elementos ķīmiski sadedzinātais ūdeņradis, reakcijas gala rezultātā pārveidojas atpakaļ par ūdeni: 2H2 + O2 2H2O + enerģija, tādēļ, cik no planētas paņemsim ūdeņradi un skābekli, tikpat arī atdosim atpakaļ. To atspoguļo ūdeņraža skābekļa cikls: =
Kas ir ūdeņradis? Ūdeņradis ir vieglākais elements periodiskajā sistēmā Visvairāk izplatītais elements uz Zemes, bet savienojumos Nav kancerogēns, nav toksisks ENERĢIJA UZ VIENU KILOGRAMU H 2 142 MJ (DEGVIELAI 47 MJ/KG)
Enerģijas resursi un avoti ūdeņraža iegūšanai: Ogles, nafta, gāze Biomasa Saule Ūdens Vējš Zeme Kodolreaktoros un saules termoelektrostacijās liekais siltums
Atjaunojamie energoresursi Hidro Ģeotermālie PV Vējš Viļņi H 2 ražošana ar elektrolīzeri Kravas transports Avots: Jón Björn Skúlason General Manager Icelandic New Uzpildes stacija Centralizēta ražošana LH 2 Cauruļvadu līnijas INE cauruļvadu līnija Ķīmiskie savienojumi piem. NaBH 4 GH 2 Cauruļvadu līnijas Kravas transports
BAKTĒRIJAS ŪDEŅRAŽA PRODUCENTI Tiek meklēti iespējami efektīvākie, dabīgākie un lētākie ūdeņraža iegūšanas veidi. Viena no perspektīvām ir ūdeņradi ražojošie mikroorganismi. Bioūdeņradi baktērijas var veidot fotosintēzes ceļā vai fermentācijas procesā. Ūdeņraža veidošanai nepieciešams enzīms: hidrogenāze vai nitrogenāze, kas regulē ūdeņraža metabolismu neskaitāmiem prokariotiem. Ūdeņradi veidojošie enzīmi katalīzē nosaka reakciju: 2H + + 2e - H 2. Šobrīd zināmie enzīmi, kas veic šo reakciju, ir nitrogenāze, Fe-hidrogenāze un NiFe hidrogenāze. Izveidojot lielus reaktorus vietas, jau šodien iespējams izveidot bioloģiskas sistēmas ūdeņraža iegūšanai, kas spēj nodrošināt nelielas un vidējas jaudas kurināmā šūnu nepārtrauktu darbību.
Ūdeņraža vēsture un pētījumi Latvijā
Ūdeņraža pētniecības vēsture Latvijā Ernests Johans Bīnemanis 1786.g. - ar ūdeņradi pildīts gaisa balons; 18.-19. gs. Teodors Grothuss 1806.g. ūdens elektrolīzes pamati; 1817.g. fotoķīmijas 1. likums; Vihelms Ostvalds 1893.g. izskaidroja FC darbību; Fricis Gulbis 1929.g. pozitīvās elektrības emisija no Pd 20.gs. Andrejs Dravnieks 1960os.g. strādāja pie cirkonija fosfāta membrānu degvielas šūnām; Prof. Lidijas Liepiņas laboratorija 1950.-1960.ajos g. pēta metālhidrīdus, sevišķi MgH x - A. Lokenbaha, V. Breicis, vēlāk U.Korsaks, V.Žilinskis, M.Tiltiņš. L.Liepiņa formulēja metālu korozijas likumu korozija notiek, veidojoties metālu hidrīdiem.
Ūdeņraža pētniecības vēsture Latvijā Gunārs Slaidiņš 1960ajos g. pētīja protonu difūzija niķeļa oksīdos Frumkina EĶ institūtā Maskavā; pēc LU Ķīmijas fakultātes nodibin (1964.g.) kā dekāns iesaistīja ūdeņraža un litija bateriju pētījumos Andri Sprici, Andri Actiņu, Aldi Zekundi, Sigurdu Takeri. Andrejs Lūsis, Jānis Kļaviņš 1970o g. sākums elektrohromo materiālu un ierīču pētniecība LU Disertācijas par ūdeņraža u.c. Krāsu centriem elektrohromajos materiālos un stiklos aizstāv Jānis Kļaviņš, Jānis Pinnis, Juris Lagzdons, Juris Purāns, Jānis Kleperis, Jevgēnijs Gabrusenoks, Pēteris Cikmačs u.c. Sigurds Takeris, Jānis Kleperis ūdeņraža difūzijas metālā optiskā noteikšanas metode (1984.g.) Āris Veispāls, Jānis Kleperis 1984.g. Ti x WO 3 fotoelektrods ūdeņraža fotoelektrolīzei
Ūdeņraža pētniecības jaunie laiki LU CFI: 2003.g. - šodiena Līga Grīnberga Kā apliecina TGA dati, absorbētais un desorbētais ūdeņraža daudzums ir lielāks paraugiem ar stiklu XRD grafikā pīķu nobīde uzrāda, ka paraugam ar stiklu šūnas tilpums ir lielāks nekā paraugam bez stikla, kas liecina par gamma fāzes veidošanos un attiecīgi materiāla dziļāku bagātināšanos ar ūdeņradi. Elements Svara% O 2,03 Elements Daļa AL 1,93 Cr 0,39 Borsilikātstikls stikls AB 5 tipa sakausējums 7-10 B 0.040064 O 0.539562 Na 0.028191 Al 0.011644 Si 0.377220 K 0.003321 Mn 5,08 Co 6,23 Ni 52,89 La 17,51 Ce 9,88 Pr 0,98 Nd 3,07
Ūdeņraža enerģētikas materiālu laboratorija LU CFI
Pētam: Ūdeņraža iegūšana elektrolīzē, fermentācijā; polimēru kompozītu membrānas ūdeņraža pārnesei un atdalīšanai, ūdeņraža uzkrāšana lielas virsmas čietvielu nanostrukturētos materiālos; ēletrolīzes gāzu izmantošana transportā un tautsaimniecībā Jau sen ūdens elektrolīzes gāzes kā piedevu lieto iekšdedzes dzinējiem automašīnās, mazāk zināma izmantošana apkurei.
Pielietojams: apkurei, elektrības ģenerācijai:
LATVIJAS ŪDEŅRAŽA ASOCIĀCIJA www.h2lv.eu
Paldies par uzmanību!