ENE-C3001 Energiasysteemit Oppimistehtävä 4: Pienimuotoinen vedyntuotanto Sisällysluettelo 1 Johdanto... 1 2 Vedyn valmistaminen elektrolyyttisesti... 2 3 Paikallinen vetyjärjestelmä... 4 4 Tehtävänanto... 6 Kirjallisuutta... 7 1 Johdanto Vetytalous merkitsee energian tuotanto-, siirto- ja jakeluratkaisua, jossa energian kantajana käytetään vetyä. Lähestymistapa on mielekäs, koska vedyn energiatiheys on erityisen suuri. Vetytalouden odotetaan tarjoavan tulevaisuudessa äärimmäisen kestävän energiaratkaisun, sillä vety voidaan valmistaa paikallisilla, uusiutuviin energiamuotoihin perustuvilla teknologioilla ja muuntaa sähköksi ja lämmöksi polttokennojen avulla kohtuullisen hyvällä hyötysuhteella siten, että palamistuotteena on ainoastaan vettä. Useimmissa vetyjärjestelmissä on vain vähän liikkuvia osia, joten ne ovat luotettavia ja meluttomia. Erityisesti ajoneuvoteollisuus on viime vuosina tehnyt merkittäviä panostuksia polttokennoajoneuvojen kehittämiseen. Nämä ovat sähköautoja, joiden voimanlähteenä on PEM-tyyppinen polttokenno. Vetytankkaus tyhjästä täyteen tapahtuu noin kolmessa minuutissa minuutissa ja yhdellä tankkauksella saavutetaan useiden satojen kilometrien ajomatka. Oppimistehtävän aiheena on paikallinen, pienimuotoinen vetyjärjestelmä, joka käyttää kaupunkipientaloon (townhouse) integroidun aurinkosähköjärjestelmän tuottamaa ylijäämäsähköä vedyn valmistamiseen elektrolyysin avulla. Tehtävänä on laskea yksinkertaistetun mallin avulla, kuinka paljon vetyä järjestelmä vuoden aikana tuottaa ja arvioida ajomatka, joka saavutetaan paikallisesti tuotetun vedyn voimin. Lisäksi tutustutaan EU-säädöksiin, joilla pyritään takaamaan vetyjärjestelmien turvallisuus. Työ raportoidaan kirjallisesti erikseen annetun ohjeen mukaisesti ja palautetaan MyCourses-järjestelmän kautta 21.10.2015 klo 12 mennessä.
2 Vedyn valmistaminen elektrolyyttisesti Elektrolyyttinen vedyn valmistaminen tarkoittaa veden hajottamista vedyksi ja hapeksi johtamalla tasasähkövirta kahden elektrolyytin erottaman elektrodin (negatiivinen katodi ja positiivinen anodi) välille. Sähkövirran vaikutuksesta katodin ja anodin välille syntyy sähköinen potentiaaliero eli jännite. Tällöin positiiviset ionit (kationit) kulkeutuvat katodiin, jossa tapahtuu pelkistysreaktio. Vastaavasti negatiiviset ionit (anionit) kulkeutuvat anodiin ja hapettuvat. Tuloksena syntyy katodille vetyä ja anodille happea reaktioyhtälön (1) mukaisesti: H 2 O (l) + sähköenergia H 2 (g) + ½ O 2 (g) (1) Kyseessä on endoterminen eli energiaa sitova sähkökemiallinen reaktio, jonka kuluttama sähköenergian määrä on sama kuin ns. Gibbsin energia eli tässä tapauksessa 237 kj/mol. Laitetta, jossa elektrolyysireaktio toteutetaan, kutsutaan elektrolyyseriksi. Tyypillisimmillään fyysinen laite koostuu pyöreistä, levymäisistä anodi- ja katodipareista eli kennoista, jotka kytketään sarjaan kuvan 1 mukaiseen rakenteeseen. Kuva 1. Elektrolyyseri (Angstrom Advanced Inc.). Elektrolyyserissä ovat putkiyhteet happi- ja vetysäiliöön sekä puhdistetulle reaktiovedelle ja jäähdytysvedelle. Lisäksi on liityntä, johon ulkoinen virtalähde (esim. aurinkosähköjärjestelmä) kytketään. Kytkennät havainnollistetaan kuvassa 2. Kuva 2. Elektrolyyserin kytkennät.
Todellisen elektrolyyserin vedyntuotto lasketaan Faradayn lain avulla, jonka mukaan vedyntuotto on suoraan verrannollinen ulkoisen virtapiirin kautta kulkevaan sähkövirtaan: (2), missä q N,H2 on vedyn moolivirta, η f on Faradayn hyötysuhde, N kenno on sarjaan kytkettyjen kennojen lukumäärä, I on ulkoisen virtapiirin kautta kulkeva sähkövirta, n on elektronien lukumäärä reaktiota kohden (= 2) ja F on Faradayn vakio (= 96485 As/mol). Faradayn hyötysuhde riippuu virrantiheydestä, joka saadaan jakamalla ulkoisen piirin sähkövirta yhden sarjaankytketyn elektrodilevyn poikkipinta-alalla (I = I / A kenno ). Ulkoisen virtapiirin kautta elektrolyyseriin syötetty sähkövirta puolestaan on suoraan verrannollinen elektrolyyserille syötettävään sähkötehoon yhtälön (3) mukaisesti: (3), missä U kenno on kennojännite eli potentiaaliero yksittäisen kennon ylitse. Kennojännite riippuu Faradayn hyötysuhteen tapaan implisiittisesti virrantiheydestä. Lisäksi kennojännitteeseen vaikuttaa elektrolyyserin toimintalämpötila. Häviöllisen (todellisen) elektrolyyserin tyypillisen toimintatilan kennojännitteet ovat suuruusluokkaa 1.6 1.8 V. Keskeinen rajoitus elektrolyyserin toiminnalle on ns. termoneutraali jännite U tn = 1.482 V, joka on käytännön sovelluksesa vetytuoton käynnistymisraja. Mikäli kennojännite laskee tätä alemmaksi, on elektrolyyseriä lämmittettävä ulkoisesti toimintalämpötilan ylläpitämiseksi. Kennojännitteen riippuvuutta virrantiheydestä PHOEBUS-elektrolyyserin eri toimintalämpötiloissa (Tely) havainnollistetaan kuvassa 3. Kuva 3. Kennojännitteen riippuvuus virrantiheydestä eri toimintalämpötiloissa. Elektrolyyserin energiahyötysuhde määritellään yhtälöllä (4) Kuten yhtälöstä (4) ja kuvasta 3 voidaan päätellä, energiahyötysuhde jää sitä heikommaksi, mitä suuremmalla virrantiheydellä (ja tehoalueella) toiminta-alue sijaitsee.
3 Paikallinen vetyjärjestelmä Maailmalla on jo ratkaisuja, joissa pienimuotoinen joka kodin vetyjärjestelmä on tuotteistettu. Järjestelmän pääosat ovat elektrolyyserin lisäksi muuntaja/invertteri, joka sovittaa sähkövirran elektrolyyserille sopivaksi, kompressori, joka puristaa elektrolyyseriltä tulevan vetykaasun korkeaan paineeseen ja korkeapainesäiliö, johon vety varastoidaan. Laajemmin tarkasteltuna samaan järjestelmäkokonaisuuteen voidaan lukea myös integroitu, uusiutuva energiantuotanto kuten aurinkosähköpaneelit oheislaitteineen (esim. älykäs muuntaja, invertteri, lataussäädin eli MPPT). Ulospäin vetyjärjestelmä näyttää samalta kuin kodin välittömään läheisyyteen sijoitettu tankkaustai latausasema. Esimerkki Hondan valmistamasta vetyaseman prototyypistä on kuvassa 4. Kuva 4. Vetyasema (Honda). Vedyn varastointiin on kehitteillä useita erilaisia ratkaisuja, mutta esimerkiksi ensimmäisissä polttokennoautoissa on komposiittirakenteinen kaasusäiliö, sillä tässä ratkaisussa suuri varastokapasiteetti on sovitettavissa pieneen tilaan. Tässä oppimistehtävässä ei perehdytä vetysäiliön kapasiteetin asettamiin rajoituksiin järjestelmän mallintamisen kannalta eikä tarkastella lähemmin varaston lataus- ja purkusyklejä. Sen sijaan tehdään oletus, että aina, kun järjestelmä tuottaa vetyä, elektrolyyseriltä tuleva, n. 7 barin paineessa oleva vety puristetaan 700 barin käyttöpaineeseen (vastaa vetyajoneuvon täyden polttoainesäiliön painetta). Käytössä on kaksivaiheinen mäntäkompressori, jonka painesuhteet valitaan siten, että ne ovat molempien vaiheiden ylitse suunnilleen samansuuruisia. Kompressorivaiheiden tarvitsema teho otetaan huomioon järjestelmän kokonaistehotaseessa. Käytännössä laskenta suoritetaan iteratiivisesti niin, että kompressorin tehontarve (joka riippuu tuotetun vedyn määrästä ja päinvastoin) vähennetään paikallisen uusiutuvan energiajärjestelmän tuottamasta ylijäämäsähkötehosta ja nettoylijäämäteho johdetaan elektrolyyserille.
Vedyn paineistuksen laskennassa voidaan riittävällä tarkkuudella käyttää ideaalikaasumallia ja käsitellä puristusvaiheet polytrooppisina, jolloin pätee ( ) (5), missä k on polytrooppieksponentti. Vaiheen 1 molaarinen puristustyö [J/mol] voidaan laskea yhtälöstä (6): * + [ ( ) ] (6), ja vaiheen 2 puristustyö vastaavasti yhtälöstä (7): * + [ ( ) ] (7), missä p 1 on paine ennen vaihetta 1, p x on välipaine (paine ennen vaihetta 2) ja p 2 on paine vaiheen 2 jälkeen. Lämpötila T on lämpötila ennen kompressorivaihetta ja se sijoitetaan yhtälöihin (6) ja (7) kelvineinä [K]. Yleinen kaasuvakio R = 8.314 J/molK. Jos kompressori on välijäähdytetty, silloin molempien vaiheiden alkulämpötila (T) on oletusarvoisesti sama kuin lämpötila ennen ensimmäistä kompressorivaihetta (isoterminen puristus). Nyt vedyn paineistuksen tarvitsema prosessiteho voidaan laskea yhtälöstä: ( ) (8) Kompressorin ottama sähköteho saadaan jakamalla prosessiteho kompressorin hyötysuhteella. Elektrolyyserin ja kompressorivaiheiden jäähdytyksestä vapautuva lämpö voitaisiin ottaa talteen soveltuvin osin tilojen lämmitykseen tai käyttöveden esilämmitykseen, mutta näitä vaihtoehtoja ei tarkastella yksityiskohtaisemmin tässä oppimistehtävässä.
4 Tehtävänanto Oppimistehtävän liitteenä on annettu suomalaisen kaupunkipientalokonseptin (townhouse) tunneittaiset sähkön ja lämmön kulutukset sekä taloon integroidun aurinkosähköjärjestelmän tunneittainen sähköntuotto vuoden ajalta. Kotitalouden kuljetukset hoidetaan polttokennoautolla. Päivittäinen ajosuorite on 40 km/vrk ja auto kuluttaa vetyä 1.2 kg/100 km. Rakennuksen lämmönhankinta perustuu maalämpöpumppuun (järjestelmän COP = 2.5). Talon oma sähköntuotanto käytetään ensisijaisesti talon sähkön- ja lämmöntarpeeseen ja alijäämäsähkö hankitaan verkosta. Ylijäämäsähkö varastoidaan elektrolyyserin avulla vedyksi, joka käytetään polttokennoauton polttoaineena. Elektrolyyserin kennopinta-ala on 0.25 m 2, kennojen lukumäärä 21, käyttöpaine 7 bar ja käyttölämpötila 60 C (voidaan olettaa vakioksi). Kun virrantiheys tunnetaan, sekä kennojännite että Faradayn hyötysuhde voidaan laskea sovitteesta, joka on muotoa } ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (8) Yhtälössä (8) tarvittavat parametrit a...f saadaan taulukosta 1. Mikäli ylijäämäteho on niin pieni, ettei termoneutraali jännite ylity (U kenno < U tn ), vedyn tuotanto ei käynnisty ja ylijäämäsähkö toimitetaan sähköverkkoon. Taulukko 1. Parametrit kennojännitteen ja Faradayn hyötysuhteen laskemiseksi. Kennojännite (U kenno ) Faradayn hyötysuhde (η f ) a 3.058E-12 9.477E-12 b -2.746E-09-8.528E-09 c 9.331E-07 2.898E-06 d -1.498E-04-4.611E-04 e 1.256E-02 3.417E-02 f 1.230E+00 6.989E-04 Vedyn paineistuksen voidaan olettaa toteutuvan siten, että elektrolyyseriltä tuleva vety (7 bar) puristetaan ensin kaksivaiheisella kompressorilla pitkäaikaisvaraston paineeseen 120 bar ja sitten toisella kaksivaiheisella kompressorilla loppupaineeseen 700 bar. Kaikki kompressorivaiheet ovat isotermisiä ja pitkäaikaisvaraston voidaan olettaa olevan vakiolämpötilassa 21 C. Puristuksen k = 1.07 ja kompressorin η = 90%. Sähkönjakelu järjestelmän sisällä voidaan olettaa häviöttömäksi. Tehtävät: 1. Tutustukaa oheiseen VTT-raporttiin ja pohtikaa, millaisilla toimenpiteillä kiinteistön yhteyteen sijoitetun vetytankkausaseman turvallisuus voitaisiin varmistaa. 2. Muodostakaa taulukkolaskentaohjelmaan tunneittainen taselaskelma, jonka avulla voidaan laskea verkkoon toimitettavan ja sieltä tuotavan (osto)sähkön määrä [Wh] sekä paikan päällä tuotetun vedyn määrä [kg/h]. 3. Määrittäkää vuotuinen vedyntuotto kilogrammoina sekä paikan päällä tuotetun vedyn osuus polttokennoauton vuotuisesta kokonaiskulutuksesta. 4. Laskekaa paikallisen energian osuus kokonaiskulutuksesta (OEF) (eli energiaomavaraisuus sisältäen asuminen + kuljetukset) ilman vedyntuotantoa ja vedyntuotannon kanssa.
Kirjallisuutta P. Kauranen, J. Solin, K. Törrönen, J. Koivula, J. Laurikko. Vetytiekartta vetyenergian mahdollisuudet Suomelle. Tutkimusraportti. Espoo 2013. VTT. 88 s. M. Nissilä, J. Sarsama. Polttokennosovellusten ja vetytankkauksen turvallisuuden varmistaminen. Säädöksiä ja standardeja. Espoo 2013. VTT Technology 112. 56 s. + liitt. 1 s.