DEE Polttokennot ja vetyteknologia

Samankaltaiset tiedostot
DEE Polttokennot ja vetyteknologia

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

DEE Kryogeniikka

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

DEE-54030Kryogeniikka

DEE Kryogeniikka

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

vetyteknologia Muut kennotyypit 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Teddy 1. välikoe kevät 2008

Tasapainotilaan vaikuttavia tekijöitä

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Puhtaat aineet ja seokset

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Thermodynamics is Two Laws and a Li2le Calculus

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Toiminnanharjoittajan turvallisuustiedote yleisölle Tukesin valvonnan alaiset tuotantolaitokset. Oy Woikoski Ab

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Erilaisia entalpian muutoksia

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

Reaktiosarjat

782630S Pintakemia I, 3 op

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Erilaisia entalpian muutoksia


Clausiuksen epäyhtälö

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

6-1 Hyötysuhde ja tehokerroin

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Termodynamiikan toinen pääsääntö (Second Law of Thermodynamics)

DEE Kryogeniikka

Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

6. Yhteenvetoa kurssista

SIDOKSET. Palautetaan mieleen millaisia sidoksia kemia tuntee ja miten ne luokitellaan: Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

Kemian koe kurssi KE5 Reaktiot ja tasapaino koe

Harvan kaasun sisäenergia ja lämpökapasiteetit

3D-tulostuksen kaasut. 3D-päivä, Vossi Group Oy.

energian), systeemi on eristetty (engl. isolated). Tällöin sekä systeemiin siirtynyt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Puun termiset aineominaisuudet pyrolyysissa

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

Luku Pääsääntö (The Second Law)

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

kun hiilimonoksidia ja vettä oli 0,0200 M kumpaakin ja hiilidioksidia ja vetyä 0,0040 M kumpaakin?

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Lämpö- eli termokemiaa

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Toiminnanharjoittajan turvallisuustiedote yleisölle Tukesin valvonnan alaiset tuotantolaitokset Oy AGA Ab

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

Tekijä: Markku Savolainen. STIRLING-moottori

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

4. Termodynaamiset potentiaalit

Kertapullot. Testikaasut. Kaatopaikkakaasujen analyysikaasut. Puhtaat

3Työ. 3.1 Yleinen määritelmä

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

max +260 C / min -40 C EN Type B, PN 25 PN 16 ja PN 10, ANSI CLASS 150, GOST Täyttää painelaitedirektiivin 97/23/EC vaatimukset.

Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

Transkriptio:

DEE-54020 Polttokennot ja vetyteknologia Vedyn varastointi 1

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

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

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

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

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.

Nesteytetty vety 7

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Metallihydridi 18

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

Esimerkkejä metallihydrideistä AB 5 yhdisteet esimerkiksi LaNi 5 AB 2 yhdisteet A: Ti, Zr ; B: V, Cr AB yhdisteet TiFe Varastointikapasiteetti tyypillisesti 1.5 2.0 wt% 21

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

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

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

Fullereenit Häkkimäiset hiilifullereenit löydettiin 1985. 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

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

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

Zeoliitit Zeoliitit ovat epäorgaanisia yhdisteitä, joissa läpi koko rakenteen kulkevia pooreja (0.3 1.0 nm). Poorit vedyn termisen koon luokkaa, jolloin vety voi jäädä ansaan. Vaatii korkean lämpötilan ja paineen, kapasiteetti 0.8 wt%. 28 Risto Mikkonen

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

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

Vedyn varastointi 31