DEE-54020 Polttokennot ja vetyteknologia Vety yleisiä näkökulmia 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Polttokennojen edut High Efficiency, 45-55 % No emission (in use) Modularity Silent Fast response time No moving parts 2 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Polttokennojen haasteet Life time Need of clean fuels Start up time Fuel reforming No H2 infrastructure High price, > 750 /kw 3 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Mitä vetytalous on? Vetytalous tarkoittaa sitä, että vety tulee sähkön rinnalle energian kantajana. Vety on vain kantaja, se ei korvaa primäärienergialähteitä. Vety korvaa nestemäisiä polttoaineita liikenteessä. Vety toimii myös energian varastona sähkön tuotannossa. Mikä vedyn osuus olisi, on täysin auki. 4 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vety The most abundant element in the universe (>90%) The lightest element on the periodic table If God did create the world by a word, the word would have been hydrogen. - Harkow Shapley Colorless, oderless gas Easily reacts with most elements Is not a primary energy source! 5 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Fuusio massa on energiaa E = mc 2 6 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Fuusio ehtymätön energianlähde 0.7 % of the mass turns to energy In the Sun 4 million tons of the matter turns to energy in every second T sun core ~ 15 x 10 6 K 7 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen DT-fusion in Earth requires T about 100 x 10 6 K
Cryostat Central Solenoid Poloidal Field Coil Toroidal Field Coil Vacuum Vessel Blanket Modules Divertor Cassettes Feeder Lines ITER Device 8 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn isotoopit 9 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vety - energian Varasto Siirto Tuotanto 10 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Mistä vetyä löytää? Paper Ammonia Ink Cotton Sugar Candle wax Styrofoam cups Bicycle tires Cloth napkins Wood - Stainless steel Glass Plastic toys 10 K gold jewelry - Carpet Gasoline Sunglasses Vinegar 11 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
H 2 Palamistuote vettä Räjähdys- / palovaara Polttoainetta rajatta Polttoarvo painoyksikköä kohti korkea H 2 120 MJ/kg Bensiini 44 MJ/kg Valmistus vaatii paljon energiaa Polttoarvo tilavuusyksikköä kohti alhainen H 2 8 GJ/m 3 Bensiini 31 GJ/m 3 12 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vety Molekyylipaino 2.016 g/mol Kaasun ominaistiheys (STP) 0.083 kg/m 3 Kaasun ominaistilavuus (STP) 11.99 m 3 /kg Kiehumispiste (1 atm) 20.4 K Jäätymispiste (1 atm) 16.2 K Kriittinen lämpötila 33.19 K Kriittinen paine 1315 kpa Kriittinen tiheys 30.12 kg/m 3 Trippelipiste 13.95K (0.148 kpa) Höyrystymislämpö kiehumispisteessä 446 kj/kg Ominaislämpö C p (STP) 14.34kJ/kgK Ominaislämpö C v (STP) 10.12kJ/kgK Tiheys (neste) kiehumispisteessä 70.96 kg/m 3 Tiheys (kaasu) kiehumispisteessä 1.331 kg/m 3 Kaasu (STP) / neste (kiehumispiste) suhde 850.3 13 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Energiasisältö - suuruusluokkavertailua 1 kwh: kinetic energy of a 10 ton truck at 100 km/h 14 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vety - sovelluskohteita Kemian ja petrokemian teollisuus (voiteluöljyjen ja kerosiinin valmistus) Ammoniakin ja synteettisen metanolin valmistus Elintarviketeollisuus (ruokaöljyjen ja margariinin valmistus) Metallurgia (rautaoksidin poistaminen rautamalmista) Sähkö- ja elektroniikkateollisuus (moottorien ja generaattorien jäähdytys, tyhjiöputket, kiteen kasvatusprosessit) Polttokennot 15 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Miksi vety? Vedyn etuna on, ettei se aiheuta päästöjä käytössä, vaikka mahdollisesti kyllä valmistuksessa. Vetyä on helpompi varastoida kuin sähköä. Vetyä voidaan valmistaa monesta eri primäärienergialähteestä. Joko uusiutuvista tai muista hiilivapaista, kuten ydinenergia, fuusio ja/tai fissio. Fossiilisiakin voisi käyttää, mikäli hiilidioksidin talteenotto saadaan järjestymään. Teknisesti ja taloudellisesti vetytalouteen liittyy paljon ongelmia. 16 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Case 17 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Aurinkokennon toiminta Auringonvalon osuessa kennoon, elektronit liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta kennon läpi. Tyhjät elektronitilat, joiden varaus on positiivinen, liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. Varauksenkuljettajat otetaan talteen etu- ja takakontakteilla, joista ne kulkeutuvat ulkoisen piirin hyötykäyttöön. 18 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Aurinkoenergian varastointi Akut Veden elektrolyysi vedyksi ja hapeksi 2 H O H O 2 2 2 2 Vety varastoidaan, energia saadaan käyttöön polttokennon avulla. 19 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Case - Sahara 20 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn valmistus Kemiallinen Höyryreformissa käytetään kaasu- tai nestemäisiä hiilivetyjä, jotka reagoivat vesihöyryn kanssa synteesikaasuksi. Käytössä mm. ammoniakin valmistuksessa. Rikin poisto, p ~ 25 bar, T ~ 850 0 C Synteesikaasussa ~ 52 % vetyä ja 11 % CO:ta 21 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn valmistus (Cont.) Sähkökemiallinen Veden elektrolyyttinen hajoittaminen Elektrolyysikennoissa kennojännite ~ 1.75 2.2 V käytetty sähköenergia muodostuvan vetykaasunylempi lämpöarvo Alkaalinen elektrolyysikenno, J ~ 2 ka/m 2, E ~ 1.9 V Kiinteä polymeerielektrolyysikenno 22 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn valmistus (Cont.) Korkealämpötekniikat Aurinkoenergian hyödyntäminen Ydinvoiman hyödyntäminen Jodi-rikki -sykli Kallis 23 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn valmistus (Cont.) Fotolyysi Vesi absorboi energiaa sähkömagneettisesta säteilystä hajoten vedyksi ja hapeksi. Veden hajoittamiseen vaadittavan energian aallonpituus osuu auringon säteilyenergiatiheyden maksimin alueelle. Suoraa fotolyysiä ei kuitenkaan tapahdu, koska vesi absorboi valoa vasta spektrin ultravioletilla alueella, missä auringon säteilyteho on heikko. Käytetään valoa absorboivia suoloja tai puolijohteita. 24 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn valmistus (Cont.) Mikrobiologinen Levien pigmenttikomponentti absorboi auringon energiaa. Leväsolujen entsyymien katalysoima vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi. 25 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen
Vedyn valmistus (Cont.) Biokonversio Fotosynteesi + auringon säteilyenergia Esimerkiksi biojätteissä tapahtuva bakteeritoiminta Yhdyskuntajätteen hyödyntäminen 26 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen