Generator wodoru elektrolizer 106_R2_ElecPEMlab.pdf

(1748 KB) Pobierz
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
Generator wodoru/elektrolizer
Laboratorium Energetyki Rozproszonej i Odnawialnych Źródeł Energii
(R-2)
Opracował: dr inż. Daniel Węcel
Sprawdził:
Zatwierdził: dr hab. inż. Leszek Remiorz
www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie podstawowych charakterystyk pracy
generatorów wodoru oraz wchodzących w ich skład elektrolizerów.
2. Wprowadzenie teoretyczne
2.1.
Wstęp
Wodór mimo tego że jest najczęściej występującym pierwiastkiem na Ziemi i we
wszechświecie nie jest łatwy do wykorzystania w celach energetycznych.
Spowodowane to jest przede wszystkim tym, że rzadko występuje jako wolny
pierwiastek. Znacznie częściej spotykany jest w związkach chemicznych, połączony z
tlenem (woda) lub z węglem (węglowodory). Obecnie produkowany wodór
wykorzystywany jest m. in. do: syntezy amoniaku, produkcji nawozów azotowych,
metanolu, kauczuku syntetycznego, smarów, odsiarczania ropy naftowej.
Wykorzystanie do celów energetycznych odbywa się na niewielką skalę, głównie
w małych instalacjach wykorzystujących ogniwa paliwowe, mimo tego że wodór często
uważany jest jako bardzo dobry nośnik energii. Podobnie jest w motoryzacji
i lotnictwie, mimo bardzo intensywnych badań nad różnego typu pojazdami zasilanymi
wodorem. Jednak właściwie nie należy go traktować jako paliwo tylko
sposób
magazynowania energii.
Żeby mógł być wykorzystywany na szeroką skalę należy
rozwiązać jeszcze wiele problemów związanych z wytwarzaniem, gromadzeniem,
transportem i wykorzystaniem czystego wodoru. Jednocześnie wodór jest uważany za
bardzo niebezpieczny gaz.
Jedną z możliwości efektywnego wykorzystania wodoru w celach energetycznych
jest zastosowanie ogniw paliwowych typu PEM, w których na drodze przemian
elektrochemicznych uzyskuje się energię elektryczną (prąd stały) oraz ciepło.
Wodorowe ogniwa paliwowe emitują jedynie parę wodną jako efekt połączenia wodoru
z tlenem (pobieranym z powietrza).
2.2.
Sposoby produkcji wodoru
Wytwarzanie wodoru do celów energetycznych ma uzasadnienie ekonomiczne
tylko wtedy, gdy stosuje się do tego energię odpadową (w dolinach energetycznych,
utylizacja odpadów) lub odnawialne źródła energii (słońce, wiatr, fale morskie, energię
ziemi). Wykorzystanie paliw kopalnych do produkcji wodoru skutkuje zużyciem
większej ilości energii, niż można uzyskać z wyprodukowanego wodoru i właściwie
takim samym zanieczyszczeniem środowiska (emisja CO
2
), jak w przypadku spalania
tych paliw. Mówi o tym tzw. współczynnik EROEI (Energy Returned on Energy
Invested - zwrot energii wobec energii zainwestowanej) definiowany jako różnica
między nakładem energii, poświęconej osiągnięciu innego źródła energii, a energią,
którą z niego możemy uzyskać. Dla wodoru wynosi on ok. 0,8. Wszystkie paliwa z
EROEI poniżej 1 nie mają termodynamicznego sensu w swoim zastosowaniu.
W przypadku produkcji wodoru z biomasy, którą należy traktować jako odnawialne
źródło energii, można w dużym stopniu ograniczyć zużycie paliw kopalnych i również
emisję CO
2
. Dodatkowo, w wyniku procesu przemiany biomasy (paliwa o małej
wartości opałowej) w paliwa tzw. szlachetne (metan, wodór), możliwe jest
wykorzystanie ich w instalacjach (turbinach gazowych, ogniwach paliwowych)
odznaczających się wysoką sprawnością wytwarzania energii elektrycznej.
W przypadku przetwarzania innych paliw na wodór zawsze zachodzi konieczność
separacji powstających gazów (oddzielenie wodoru od pozostałych gazów) i specjalne
oczyszczanie wodoru (np. na sitach molekularnych). Wielkość produkcji, koszty, dostęp
do źródeł energii i czystość produkowanego wodoru determinuję stosowanie
odpowiedniej metody generowania wodoru.
W przypadku wykorzystania wodoru do zasilania ogniw paliwowych, wymagana
jest stosunkowo wysoka czystość wodoru (co najmniej 3.0 – czyli 99.9% czystość
wodoru, w większości przypadków zalecana wartość to 5.0 odpowiadająca 99.999%).
Znane i stosowane metody produkcji wodoru można podzielić na:
wykorzystujące źródła energii odnawialnej:
o
o
o
o
o
elektroliza wody,
termoliza (rozkład termiczny wody),
fotoliza (fotoelektrochemiczne i fotokatalitycznie metody rozkładu wody),
metody biologiczne,
gazyfikacja biomasy,
wykorzystujące paliwa kopalne:
o
reforming metanu parą wodną,
o
reforming benzyny,
o
zgazowanie węgla,
współprodukowane wodoru w procesach przemysłowych.
W ostatnich latach około połowy produkowanego wodoru na świecie powstawało z
reformingu gazu ziemnego, 30% z ropy naftowej, ok. 18% z gazyfikacji węgla, a tylko
4% powstaje w procesie elektrolizy, który umożliwia wykorzystanie odnawialnych
źródeł energii. Wynika to przede wszystkim z najniższych kosztów produkcji i
inwestycji oraz dużej sprawności metod opartych o paliwa kopalne. Trochę droższa jest
produkcja wodoru z ropy naftowej i z węgla. Natomiast wszystkie metody oparte
na źródłach odnawialnych są 2 do 3 razy droższe. Obniżenie kosztów jest możliwe
poprzez dalsze rozwijanie technologii i budowę instalacji na szeroką skalę. Wszystkie
metody wykorzystujące paliwa kopalne wymagają zbudowania dużych instalacji.
Spośród metod wykorzystujących odnawialne źródła energii najbardziej
perspektywiczna jest elektroliza wody. Wysoka czystość produkowanego wodoru,
krótki czas rozruchu aparatury, elastyczność pracy i łatwość jej obsługi zadecydowały
o preferowaniu tej metody. Prosta budowa oraz modułowa konstrukcja umożliwia
wykonanie elektrolizerów w bardzo szerokim zakresie wydajności (mocy).
2.3.
Proces elektrolizy
Z punktu widzenia chemii elektroliza jest szeregiem reakcji prowadzących
do rozpadu związków chemicznych, a następnie rozdzielenia produktów takiego
rozkładu, na skutek działania napięcia elektrycznego przyłożonego do roztworu dzięki
przemieszczaniu się jonów w kierunku podłączonych do układu elektrod. Energia pola
elektrycznego, czyli energia z zewnątrz, umożliwia zachodzenie pewnych reakcji
powodujących przepływ elektronów przez roztwór przewodzący (elektrolit).
Prawo elektrolizy Faradaya
Ładunek
q
potrzebny do wydzielenia lub wchłonięcia masy jonów
m
na elektrodzie
jest dany zależnością:
���� =
gdzie:
F
– stała Faradaya (F = 9,64853365·10
4
C/mol)
m
– masa wydzielana na elektrodzie, kg
z
– ładunek jonu (wielkość bezwymiarowa)
M
– masa molowa jonu, kg/mol
Można też określić masę substancji
m
ulegającej przemianie elektrochemicznej
podczas elektrolizy (wydzieleniu na elektrodzie lub przejściu do roztworu elektrolitu
lub elektrolitu stopionego), która jest wprost proporcjonalna do wielkości ładunku
elektrycznego (q
= I · t)
przepływającego przez elektrolit:
���� = ���� ∙ ���� ∙ ����
����∙����∙����
����
,C
gdzie:
I
– natężenie prądu płynącego przez elektrolit, A
t
– czas elektrolizy, s
k
– równoważnik
elektrochemiczny
substancji,
kg/C
(współczynnik
proporcjonalności wyrażony stosunkiem masy substancji biorącej udział w reakcji
elektrochemicznej do ładunku elektrycznego powodującego zachodzenie tej reakcji)
Do utrzymania procesu elektrolizy niezbędne jest doprowadzenie energii
elektrycznej i ciepła. Minimalna ilość energii elektrycznej jaką należy dostarczyć aby
doprowadzić do rozbicia jednego mola wody, odpowiada energii swobodnej Gibbsa
ΔG
0
, która jest powiązana z napięciem „energii swobodnej”
E
0
. W przypadku rozbijania
wody w stanie ciekłym energia ta wynosi:
∆����
0
= ���� ∙ ���� ∙ ����
0
= 237,22 �������½/������������
gdzie:
n
– liczba elektronów wymienianych w trakcie elektrochemicznego rozbicia
jednej cząsteczki wody (n = 2),
F
– stała Faradaya,
E
0
– standardowe napięcie elektrolizy
(napięcie „energii swobodnej” - dla temperatury 298 K i ciśnienia 1 bar wynosi
E
0
≈
1.23 V)
Zapotrzebowanie na ciepło wynika ze zmiany entropii i temperatury w jakiej jest
doprowadzana woda. Zmiana entropii dla wody w stanie ciekłym wynosi
ΔS
= 163,15
J/(mol·K). Stąd całkowita ilość energii potrzebna do rozbicia 1 mola wody jest sumą
energią swobodnej Gibbsa i zapotrzebowania ciepła, co odpowiada entalpii tworzenia
ΔH
0
dla wodoru:
∆����
0
= ∆����
0
+ ���� ∙ ∆����(����) = 285,84 �������½/������������
W przypadku stosowania elektrolizerów niskotemperaturowych ciepło potrzebne
do reakcji jest generowane na skutek przepływu prądu przez elektrolizer. Wymaga to
jednak zasilenia elektrolizera napięciem wyższym od
E
0
. Napięcie to jest powiązane z
entalpią tworzenia dla wody w stanie ciekłym i nazwane jest napięciem termicznym
neutralnym
V
0
:
∆����
0
���� =
≈ 1,48 ����
���� ∙ ����
0
Określony potencjał elektrochemiczny
V
0
, powiązany jest z ciepłem spalania
wodoru (HHV – Higher Heating Value), które jest równe entalpii tworzenia
ΔH
0
dla
wodoru.
2.4.
Elektrolityczny rozkład wody. Budowa elektrolizera
Przy elektrolizie wykorzystuje się energię elektryczną do rozbicia wody na jej
podstawowe składniki: wodór i tlen. Jest to najprostsza metoda otrzymywania wodoru i
tlenu o bardzo wysokiej czystości, w której nie jest konieczne stosowanie paliw
kopalnych. Naukowe badania zjawiska elektrolizy wody na początku XIX wieku
przeprowadzali
William
Nicholson
i
Anthony
Carlisle.
Sam
proces
jest

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin