Wodor_paliwem_przyszlosci.pdf

W ODÓR „P ALIWEM ” P RZYSZŁOŚCI

mgr inż. Adam Feldzensztajn

mgr inż. Leszek Pacuła

inż. Jakub Pusz

80-286Gdańsk, ul. Jaśkowa Dolina 84, (Poland) E-mail: iwt@intech.biz.pl Þ Web: www.intech.gdansk.pl

Tel.: (+48 58) 345 01 11, 341 88 37, 341 52 36 Fax: (+48 58) 341 74 10

IWT INTECH - Wodór „Paliwem” Przyszłości

OD AUTORÓW .

Gwałtowne przyspieszenie rozwoju cywilizacji w ostatnich kilku dekadach,

postępująca degradacja środowiska oraz narastające niedobory surowców, a zwłaszcza

surowców energetycznych, wymusiły na krajach wysokorozwiniętych poszukiwanie

alternatywnych źródeł energii i związanych z nimi nowoczesnych technologii.

Uwaga wielu najpoważniejszych centrów naukowo-badawczych skupiona została w

ostatnim okresie na technologiach wodoru. Zakresem badań objęte zostały zagadnienia

wytwarzania, transportu, magazynowania oraz zastosowań energetycznych tego gazu.

Szczególnie duże nadzieje pokładane są w rozwoju technologii ogniw paliwowych,

które w połączeniu z wodorem jako nośnikiem energii rysują wizję nieomal „rewolucji

energetycznej”.

Uzyskane wyniki dotyczące wykorzystania ogniw paliwowych są bardzo obiecujące i

potwierdzają słuszność obranych kierunków badań. Wysoka sprawność, żywotność i

bezawaryjność stanowią o poważnym potencjale drzemiącym w rozwoju tych technologii.

Należy się spodziewać bardzo dynamicznego rozwoju tych dziedzin przemysłu, w których

zastosowanie ogniw paliwowych przyczyni się do istotnego unowocześnienia

produkowanego wyrobu i obniżenia kosztów jego wytwarzania lub eksploatacji.

Aktualnie przemysłowe wykorzystanie wodoru sprowadza się głównie do jego

zastosowań jako gazu technicznego lub surowca do produkcji. Zastosowanie wodoru jako

nośnika energii nie przekroczyło do dnia dzisiejszego fazy eksperymentalnej.

Podejmowane od kilku lat w USA, Japonii oraz Unii Europejskiej programy rządowe oraz

ponadnarodowe korporacyjne programy badawcze udowadniają już dzisiaj realność

techniczną stworzenia czystych systemów transportu w dużych aglomeracjach miejskich

w oparciu o autobusy napędzane ogniwami paliwowymi zasilanymi wodorem.

Instytut Wdrożeń Technicznych "INTECH" w swojej blisko dwudziestoletniej historii

włączał się wielokrotnie w upowszechnianie i wdrażanie na rynku polskim godnych tego

rozwiązań technologicznych stanowiących zarówno opracowania własne jak i dorobek

techniki światowej. Od trzech lat reprezentuje na terenie Polski firmę Vandenborre

Hydrogen Systems N.V. rozpoczynając sprzedaż i serwis najnowszej generacji

generatorów wodoru pracujących w oparciu o elektrolizę wody.

Spodziewając się również na naszym rynku znacznego wzrostu zainteresowania

technologiami wodoru oraz ogniw paliwowych wychodzimy niniejszym opracowaniem

naprzeciw potencjalnemu zapotrzebowaniu czytelnika na informację techniczną w tym

zakresie.

Gdańsk, październik 2003.

80-286Gdańsk, ul. Jaśkowa Dolina 84, (Poland) E-mail: iwt@intech.biz.pl Þ Web: www.intech.gdansk.pl

Tel.: (+48 58) 345 01 11, 341 88 37, 341 52 36 Fax: (+48 58) 341 74 10

IWT INTECH - Wodór „Paliwem” Przyszłości

Spis treści:

1. Informacje ogólne o wodorze.....................................................................................................2

2. Porównanie wybranych nośników energii..................................................................................3

3. Metody otrzymywania wodoru ...................................................................................................4

3.1. Proces reformingu benzyny.................................................................................................4

3.2. Reforming metanu parą wodą.............................................................................................4

3.3. Elektroliza wody ..................................................................................................................4

3.4. Inne metody wytwarzania wodoru.......................................................................................4

a) Metody biologiczne .........................................................................................................4

b) Metoda Habera-Boscha ..................................................................................................5

4. Metody magazynowania wodoru ...............................................................................................5

4.1. Sprężony w postaci gazowej ...............................................................................................5

4.2. W postaci ciekłej..................................................................................................................5

4.3. Fizyczne wodorki metali ......................................................................................................5

4.4. Chemiczne wodorki metali ..................................................................................................6

4.5. Inne metody magazynowania wodoru.................................................................................6

5. Ogniwa paliwowe .......................................................................................................................6

5.1. PEMFC, PEFC – Ogniwo z błoną protono-wymienną (ang. Proton Exchange

Membrane Fuel Cell, Polymer Electrolyte Fuel Cell) ..........................................................7

5.2. DMFC – Ogniwo metanolowe (ang. Direct Methanol Fuel Cell) .........................................8

5.3. MCFC – Ogniwo ze stopionym węglanem (ang. Molten Carbonate Fuel Cell) ..................8

5.4. SOFC – Ogniwo ze stałym tlenkiem (ang. Solid Oxide Fuel Cell) .....................................9

a) TSOFC – Rurowe ogniwo ze stałym tlenkiem (Tubular Solid Oxide Fuel Cell)............10

b) ITSOFC – Niskotemperaturowe ogniwo ze stałym tlenkiem (ang. Intermediate

Temperature Solid Oxide Fuel Cell) ..................................................................................11

5.5. PAFC – ogniwo z kwasem fosforowym (ang. Phosphoric Acid Fuel Cell) ........................11

5.6. AFC – ogniwo alkaliczne (ang. Alkaline Fuel Cell) ...........................................................11

6. Zastosowania ogniw paliwowych.............................................................................................12

6.1. Systemy stacjonarne .........................................................................................................12

6.2. Systemy mobilne ...............................................................................................................12

a) Systemy małej mocy .....................................................................................................12

b) Systemy średniej mocy .................................................................................................13

c) Systemy dużej mocy .....................................................................................................15

6.3. Rodzina samochodów DaimlerChrysler napędzanych ogniwami paliwowymi..................15

a) NECAR 1.......................................................................................................................15

b) NECAR 2.......................................................................................................................15

c) NEBUS ..........................................................................................................................15

d) NECAR 3.......................................................................................................................16

e) NECAR 4.......................................................................................................................16

f) NECAR 5........................................................................................................................16

g) Jeep Commander 2.......................................................................................................16

h) Hermes Sprinter ............................................................................................................16

i) Natrium ...........................................................................................................................16

j) Citaro City Bus ...............................................................................................................17

k) Mercedes-Benz A-Class F-Cell .....................................................................................17

7. Podsumowanie ........................................................................................................................17

8. Literatura .................................................................................................................................17

IWT INTECH - Wodór „Paliwem” Przyszłości

1. Informacje ogólne o wodorze

Wodór jest najbardziej pro-ekologicznym nośnikiem energii. Podczas spalenia

płomieniowego wodoru powstają jedynie tlenki azotu i para wodna, a gdy proces utleniania

przeprowadzony jest w ogniwach paliwowych, jedynym produktem ubocznym jest para wodna.

Dlatego właśnie w wodorze i ogniwach paliwowych widzi się wielką szansę na ograniczenie emisji

takich związków jak tlenki azotu, tlenki węgla, najróżniejsze węglowodory, które są przyczyną

kwaśnych deszczy i prawdopodobnie efektu cieplarnianego. Jednakże, jeżeli wodór będzie

produkowany poprzez proces reformingu lub elektrolizy przy pomocy prądu elektrycznego

niepochodzącego z czystych źródeł, emisja przynajmniej dwutlenku węgla zmniejszy się

nieznacznie. Zastosowanie wodoru i ogniw paliwowych, może natomiast wyeliminować tworzenie

się smogu w silnie zurbanizowanych aglomeracjach miejskich.

Tak zwaną ekonomię wodoru (ang. Hydrogen Economy) trzeba rozpatrywać jako cztery

ściśle z sobą powiązane etapy, produkcji, oczyszczania oraz transportu, magazynowania i

zastosowania wodoru.

ETAP I

ETAP II

ETAP III

ETAP IV

Elektroliza

wody

pod

ciśnieniem

Silnik

spalinowy

Reforming

benzyny

Oczyszczenie

wodoru

skroplony

Transfer

Rozkład

metanu

wodorki

metali

Ogniwa

paliwowe

IWT INTECH - Wodór „Paliwem” Przyszłości

2. Porównanie wybranych nośników energii

Najważniejsze własności czterech podstawowych nośników energii, wodoru, metanu,

metanolu i oktanu mającego reprezentować benzynę, przedstawiono w tabeli poniżej.

H 2

CH 4

CH 3 OH

C 8 H 18

Temp. topnienia

-259,2 o C

-182,6 o C

-97,8 o C

-56,8 o C

Temp. wrzenia

-252,77 o C

-161,4 o C

64,7 o C

125,6 o C

Gęstość

0,08987 g/litr

(0 o C)

0,7168 g/litr

(0 o C)

0,8100 kg/litr

(25 o C)

0,6986 kg/litr

(25 o C)

Temp. samozapłonu

582 o C

537 o C

464 o C

206 o C

Mieszanina wybuchowa,

%obj. w powietrzu

4 – 74

5 – 15

6 – 36

1,0 – 6,5

Ciepło spalania

141,79 MJ/kg

55,6 MJ/kg

22,70 MJ/kg

47,90 MJ/kg

12,7 MJ/m 3

40,0 MJ/m 3

18 400 MJ/m 3

33 700 MJ/m 3

Dane opracowane na podstawie ([ 1] , [ 2])

Wodór postrzegany jest za dużo bardziej niebezpieczny związek niż benzyna czy metan.

Niska gęstość wodoru sprawia, iż jest to związek niezwykle lotny, ponadto cząsteczka wodoru jest

bardzo mała i dyfunduje przez większość materiałów takich jak najróżniejsze polimery, gumy czy

stopy metali. Razem z bardzo wysoką temperaturą zapłonu, nieprawdopodobnym jest by wodór w

efekcie wycieku zebrał się w jakiejś przestrzeni w samochodzie i uległ zapłonowi. Ponadto, wodór

pali się zupełnie inaczej niż ciężkie węglowodory, które mają tendencję do zbieranie się pod

samochodem, fotelami itp. wytwarzając tak zwaną poduszkę ogniową (ang. fire pillow). Płomień

wodoru jest wąski i pionowy, tak więc w razie zapłonu, podpaleniu nie ulega cały samochód. W

trakcie testu przedstawionego poniżej, temperatura na tylniej szybie samochodu ze zbiornikiem

wodorowym osiągnęła jedynie 47,2 o C, a temperatura w kabinie nie przekroczyła 19,5 o C. [3]

Zdjęcie wykonane w 3 sek. po zapłonie.

Zdjęcie wykonane w 60 sek. po zapłonie.

Zapłon zbiornika wodoru (lewa część zdjęcia) i takiego samego zbiornika z benzyną (w

prawej części). [ 3]

Kontrowersyjne jest również wskazanie wartości opałowej zamiast ciepła spalania.

Prawidłowe przy oznaczaniu sprawności jest użycie jedynie ciepła spalania, gdyż jest to definicja

zgodna z prawem zachowania energii pierwszej zasady termodynamiki. Niestety w wielu krajach,

przy oznaczaniu sprawności silników używa się wartości opałowej, lub wręcz obu tych wartości nie

określając ich. Sprawność urządzenia przy użyciu wartości opałowej może przewyższyć 100%,

gdyż nie uwzględnia się energii kondensacji wody i tym samym nie jest to zgodne z prawem

zachowania energii.

Wodór ma bardzo wysokie ciepło spalania przeliczając na masę, jednakże przy

zastosowaniach w motoryzacji powinno się patrzeć na przeliczenia na objętość. Ma to zasadnicze

znaczenie, gdyż określa ilość zmagazynowanej energii np. w 60 litrowym zbiorniku.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: