DEE Polttokennot ja vetyteknologia

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "DEE Polttokennot ja vetyteknologia"

Ari-Pekka Manninen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 DEE Polttokennot ja vetyteknologia Vedyn varastointi 1

2 Paineistettu kaasu Ideaalikaasulaki pätee vedylle erittäin hyvin. Perinteiset teräs- ja alumiinipullot huonoja energiatiheydeltään (1-2.5 %) Uudet komposiittimateriaalit lupaavia (11.3 wt%). Suurien paineiden (700 bar) käyttöä tutkitaan. Voimalaitoskäytössä myös suuria matalapaineisia (~ 15 bar) säiliöitä. Maanalainen vedyn säilytys luolissa ja suolakerrostomissa. 2

3 Paineistettu kaasu W vol H RT P W grav M H H 2 3

4 Esimerkki Ison vetykaasupullon (50 l / 200 bar) energiasisältö on noin 27 kwh. Kuinka monta prosenttia tästä energiamäärästä joudutaan kuluttamaan kaasun paineistamiseen, kun prosessi oletetaan isotermiseksi? 4

5 Tilavuuden muutostyö W 1 2 =? W 2 p dv

6 Nesteytetty vety James Dewar Vedyn nesteytys 1898 Tyhjiöön asetettavat pulverit Pintojen hopeointi Kaasujen sekoitus (vety + typpi) 1902 Reinhold Burger ryhtyi Saksassa markkinoimaan pulloja nimellä Thermos 6 Laajentuminen ilmaan yhden atmosfäärin paineessa seoksesta, jossa on 10% typpeä vedyssä, sai aikaan paljon alhaisemman lämpötilan kuin mitä tähän mennessä on rekisteröity.

7 Nesteytetty vety 7

8 Esimerkki Arvioi, kuinka paljon vedyn nesteyttäminen kuluttaa vetykaasun energiasisällöstä, ~120 MJ/kg. W tot T 0 dt H T0 C p T T T s s vedylle~ 6100kJ / kg T T 0 C p dt H s vedylle~ 6090kJ / kg Ideaalitilanteessa nesteytys kuluttaa n. 10 % kaasun energiasisällöstä, todellisuudessa n. 30 % 8

9 Vedyn nesteytys, Joule-Thomson sykli Vedyn (kuten muidenkin nestekaasujen) nesteytys perustuu kiertoprosesseihin, jossa työaineen annetaan vuoron perään puristua, laajentua sekä vaihtaa lämpöä ympäristönsä kanssa. Q.,T 0 JT orifice 0 d b b' c W. a e Compres sor Aftercooler Heat exchanger Evaporator Cycles12ca.cdr Q.,T c c 9

10 Isentalpinen laajeneminen Usein kylmälaitteiden jäähdytys T perustuu isentalpiseen laajenemiseen inversiokäyrä J P H Kaasu Inversiolämpötila (K) Happi 761 Argon 722 Typpi 622 Ilma 603 Neon 250 Vety 202 Helium 40 10

11 Esimerkki Miksi vedyn nesteytys, mikä perustuu isentalpiseen kaasun ei ole kovin tehokas? Tarkastele vetyä ideaalikaasuna. 11

12 Recap du = T ds P dv T v s p s v dh = T ds + V dp T p s v s p dg = - S dt + V dp da = - S dt P dv p T v T v p s v T s p T 12

13 Isentrooppinen laajeneminen Isentropinen laajeneminen on termodynaamisesti tehokkaampaa kuin isentalpinen laajeneminen, koska kaasu tekee työtä laajetessaan. Prosessille voidaan määrittää Joule-Thomson kerrointa vastaava vakioentropian käyrä P-T avaruudessa. s T P S 13

14 Claude sykli W. 0 Compressor Q.,T 0 0 Aftercooler HX1 Steam engine W. e Expansion engine JT valve HX2 HX3 Claude Expansion Engine Air liquefaction (1902) 2.5 MPa Q.,T c c Evaporator Claude2c.cdr 14

15 Vedyn varastointi metallihydridiin Vety on korkean reaktiivisuuden omaava aine, joka voi muodostaa hydridejä tuhansien yhdisteiden kanssa. Usein PCT ominaisuudet ovat epäkäytännöllisiä. Pitäisi olla voimakkaasti hydroksoiva elementti (A) yhdistettynä heikosti hydroksoivaan elementtiin (B). 15

16 Metallihydridi Metalliseos reagoi vedyn kanssa muodostaen hydridin, jos vetykaasun paine on korkeampi kuin vastaava tasapainopaine. x M H2 M H x 2 Reaktion on eksoterminen (lämpöä vapauttava) ja reversiibeli) Vedyn purkautumisreaktio on on edelleen endoterminen (hydridiin tuotava reaktiolämpöä vastaava lämpömäärä) 16

17 Metallihydridi Metallihydridipartikkeli on aluksi täysin purettuna eli - faasissa. Tämän jälkeen sitä aletaan hydratoida, jolloin faasimuutos alkaa tapahtua partikkelin pinnalta alkaen ja vetyatomit diffuntoituvat -faasin läpi faasimuunnosrajapinnalle, kunnes hydridi on täysin muodostunut. Metallihydridiä purettaessa tapahtuu faasimuutos -faasin ulkopinnalta lähtien ja vetyatomit diffuntoituvat -faasin läpi partikkelin ulkopinnalle, jossa ne muuttuvat takaisin kaasumaiseksi vedyksi. 17

18 Metallihydridi 18

19 Metallihydridi -faasin muodostuessa paineen kasvattaminen kasvattaa vedyn konsentraatiota vain vähän. -faasin muodostuttua, paineen pieni lisääminen kasvattaa konsentraatiota huomattavasti eli -faasi alkaa muodostua. -faasin muodostuttua paineen kasvattaminen lisää vedyn konsentraatiota vain vähän. 19

20 20

21 Esimerkkejä metallihydrideistä AB 5 yhdisteet esimerkiksi LaNi 5 AB 2 yhdisteet A: Ti, Zr ; B: V, Cr AB yhdisteet TiFe Varastointikapasiteetti tyypillisesti wt% 21

22 Hiilen nanorakenteet Nanotuubit (nanoputket) Grafiitin nanokuidut Fulleriinit Tulokset lupaavia, joskin ristiriitaisia 22

23 Nanoputket Putkilomaisia hiilen rakenteita. Varastointikapasiteetti STP:ssä 4.2 wt%, korkeassa lämpötilassa 7 wt%. Viimeiset tulokset viittaavat selvästi huonompiin kapasiteetteihin. 23

24 Nanokuidut 24 Grafiittilevyjä, joiden väliin vety varastoituu, tulokset hyvin ristiriitaisia

25 Fullereenit Häkkimäiset hiilifullereenit löydettiin Fullereeniin voi liittää muita kemiallisia ryhmiä tai sen sisään voi sijoittaa vieraan atomin. Fullereenista voi muotoilla sähköäjohtavia nanoputkia. Suurissa paineissa ja lämpötiloissa noin 6 wt%, huono syklauskestävyys. C 60 -fullereeni 25

26 Fullereeneista fulleraaneihin C 60 fullereenin käsittely vedyllä johtaisi pallomaiseen hiilivetyhäkkiin, C 60 H 60 fulleraaniin. Onko olemassa suotuisampia fulleraanirakenteita? Suuremmat ja rakenteellisesti joustavammat C 80 - ja C 180 fullereenit voidaan käsitellä vedyllä osittain sisäpuolelta, päädytään C 80 H 80 - ja C 180 H 180 fulleraaneihin. 26 C 60 H 60 -fulleraani

27 Aktiivihiili Vety voi absorpoitua huokoisen hiilen (aktiivihiili) pinnassa oleviin makroskooppisiin pooreihin. Vaatii kryogeenisia lämpötiloja. Vedyn varastointikapasiteetti 5.2 wt%. 27

28 Zeoliitit Zeoliitit ovat epäorgaanisia yhdisteitä, joissa läpi koko rakenteen kulkevia pooreja ( nm). Poorit vedyn termisen koon luokkaa, jolloin vety voi jäädä ansaan. Vaatii korkean lämpötilan ja paineen, kapasiteetti 0.8 wt%. 28 Risto Mikkonen

29 Lasikuulat Lasi muutuu vetyä läpäiseväksi korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Voidaan varastoida vetyä, kapasiteetti 6 wt%. Vapauttaminen joko lämmittämällä tai rikkomalla kuulat. 29

30 Kemiallinen varastointi Useissa kemiallisissa yhdisteissä vetyä. Ongelmana uudelleen lataus. Metanoli, 8.9 wt%, helppo varastoida. Ammoniakki, 15.1 wt%, käyttö tuottaa typen oksideja. 30

31 Vedyn varastointi 31

Samankaltaiset tiedostot

DEE Polttokennot ja vetyteknologia

DEE Polttokennot ja vetyteknologia DEE-54020 Polttokennot ja vetyteknologia Vedyn varastointi 1 Paineistettu kaasu Ideaalikaasulaki pätee vedylle erittäin hyvin. Perinteiset teräs- ja alumiinipullot huonoja energiatiheydeltään (1-2.5 %)