Najważniejsze materiały przyszłości – ciała stałe.

(1)

Najważniejsze materiały

przyszłości – ciała stałe.

(2)

WYKŁAD V

A. Kryzys energetyczny i nowe paliwa. Wodór jako paliwo.

B. Dlaczego wodór? Trochę historii. Stan obecny zagadnienia. Przyszłość.

C. Najważniejsze problemy i wyzwania. Zalety

magazynowania w fazie stałej. Jak moze pomóc teoria?

D. Ogniwa paliwowe: budowa, rodzaje i zastosowania.

(3)

“I believe that one day hydrogen and oxygen, which together form water, will be used either alone or together as an inexhaustible source of heat and light”

(Jules Verne, The mysterious island, 1874)

THE DREAM

(4)

Some history

16th century – F. B. Paracelsus (Swiss…) first described an air which bursts forth like the wind 1671 – Robert Boyle published a paper in which he described the reaction between iron filings and dilute acids which results in the evolution of gas

1766 – Henry Cavendish discovers “inflammable gas from metals” (Lavoisier gives the name for it in 1783)

1783 – J. A. C. Charles suggests using hydrogen in balloons

Nov.25, 1793 – the first balloon is sent up from British soil

1807 – Dalton’s theory of atoms is published;

was the symbol used for hydrogen

May 6, 1937 – the Hindenburg tragedy Jan. 28, 1986 – the Challenger space shuttle catastrophe

1980’s – numerous explosions in the diborane factories

1839 – William Robert Grove invents fuel cell 1960’s – NASA searches for energy supplies for the spacecraft

1998–2000 Ballard Power Systems introduces 205 kW fuel cells being used in six buses in the U.S. (Chicago) and Canada (Vancouver)

May 1999 – the first public liquid–hydrogen filling station has been opened in at Munich Airport

Feb. 2001 – Eur. Comm. funds the FUCHSIA Project Feb. 2001 – a six-month tour of a fleet of ten BMW 750hL liquid hydrogen powered sedans around the globe starts in oil–producing Dubai (UAE)

Aug. 2001 – the first solar-powered hydrogen production and fueling station in the Los Angeles area opened by American Honda Motor Co.

2003 – Toyota Motor Co. is poised to be the first to offer a pure-hydrogen fuel cell vehicle to a limited public 2010/2020 – mass production of the fuel cell-powered vehicles is expected

(5)

Dlaczego wodór?

Spalanie paliw kopalnych i innych:

- węgiel

- ropa  benzyna - metan

- opony z odzysku etc.

Energie odnawialne:

- słoneczna - wiatru

- geotermalna - wodna

Energia jądrowa:

- Reaktor nuklearny

- “Zimna fuzja”, synteza mionowa

gaz cieplarniany (CO

₂

)

inne zanieczyszczenia (SO

_x

, NO

_x

) wielka polityka: zmowy paliwowe,

wojny o ropę

ograniczona ilość

ograniczona geopolityka

kwestie zachowania krajobrazu

zanieczyszczenia radioaktywne

ryzyko niekontrolowanego procesu

(6)

- Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem o masie atomowej 1 u.

- Ciekły wodór ma bardzo małą gęstość 0.07 g/ml.

- Zaleta jest taka że H zawiera 2.6 raza więcej niż benzyna energii na jednostkę masy.

- Wada jest taka że H zawiera 4 razy mniej niż benzyna energii na jednostkę objętości.

15 gallon’owy zbiornik paliwa zawiera 90 funtów benzyny; energetycznie równocenny zbiornik H ma 60 gallonów, i waży tylko 34 funty

Pros and Cons /Za i przeciw/

- Gdy wodór jest spalany w

powietrzu, głównym produktem jest woda (produkcja niektórych

zwiazków N może być kontrolowana) - Jezeli narastające ogrzewanie sie klimatu na ziemi poprzez wzrost stężenia CO

₂

okaże się być głównym problemem, wodór byłby

wymarzonym paliwem.

(7)

Paliwa gazowe & ciekłe a stałe

?

1937 1986

2001

(8)

Wartość rynkowa zagadnienia ($$$)

 W oparciu o prognozę ceny wodoru, przejmie on 5% rynku ropy w 2010 r.

 Światowy rynek ropy to $ 700 mld rocznie

 Przewidywany udział wodoru to $ 35 mld p.a.

 Baki ze stałym materiałem magazynującym H  $ 5 mld p.a.

 Wynalazek mogłby byc licencjonowany lub sprzedany za

 $ 1 mld p.a.

USA

Freedom /$ 150 mln incl.

$ 40 mln government share/

EUROPE

Fuchsia, Hystory,

Hymosses /$ 10 mln/ JAPAN

Protium /$ ???

mln/

(9)

Czysta ekonomia wodorowa przyszłości

Produkcja H H

₂

(gaz)

• CH

₄

+ 2 H

₂

O  CO

₂

+ 4 H

₂

• aktywacja wiązania C–H

• fotoelektroliza wody, zielona energia

H

₂

(sprężony) H

₂

(ciecz) H (stałe związki) Magazynowanie H

Spalanie H

• kriogeniczne zbiorniki

wysokocisnieniowe

• reakcje chemiczne

H

₂

/O

₂

Fuel cell Silnik hybrydowy

Pojazd o zerowej emisji

(10)

Efekty zwiększonej cyrkulacji wody w

przyrodzie = ???

(11)

Samochód przyszłości: BMW 750 hL zaprezentowany podczas EURO 2000

• Wczoraj: BMW 750 hL (München 2000)

6 autobusów z ogniwami paliwowymi (Chicago & Vancouver 1999-2001)

• Dziś: pierwsze komercyjne modele (Honda & Toyota) (Japonia & California 2002/3)

• Jutro: tanie ogniwa paliwowe, tani H

₂

(USA & Kanada 2010)

Kto nie zajmie się tym tematem TERAZ, najprawdopodobniej

nie będzie miał szansy zajać się nim w ogóle!

(12)

5 przykazań magazynowania wodoru w fazie stałej

(i) Duża pojemność magazynująca: minimum 6.5 % wag H i co najmniej 65 g H/l w materiale magazynującym;

(ii) T

_rozkł

= 60–120

^o

C;

(iii) Odwracalność termicznej absorpcji / desorpcji: niska temperatura desorpcji H i niskie ciśnienie absorpcji H

(ciśnienie plateau rzędu paru barów w temp. pokojowej), lub latwość chemicznego przekształcenia produktów rozkładu ponownie w substraty;

(iv) Niska cena;

(v) Nietoksyczność, nieeksplozywność, chemiczna inertność itp.,

związku magazynującego wodór.

(13)

(14)

Budowa Ogniwa Paliwowego (Fuel Cell).

Energia chemiczna  Energia elektryczna

małe straty cieplne, duża wydajność w por. z cyklem Carnota

ANODA /Pt Nafion® KATODA /Pt

(15)

Rodzaje ogniw paliwowych H

₂

/O

₂

:

- Alkaliczne (150–200

^o

C) – wymagają użycia bardzo czystego H

₂

i O

₂

- Na kwas fosforowy (150–200

^o

C) – głównie średnie do dużych aplikacji stacjonarnych

- Na stały tlenek (1000

^o

C) – ogniwa ekstremalnie wysokotemperaturowe, tolerują względnie zanieczyszczone paliwa wodorowe

- Z membraną wymieniającą proton (Proton Exchange Membrane) lub

polimerowo–elektrolitową (Polymer Electyrolyte) Fuel Cell (60–100

^o

C) – najbardziej rozwinięty rodzaj ogniw, największa ilość energii na jednostkę objętości ogniwa, najprawdopodobniej jedyny kandydat do zasilania

środków transportu przyszłości

- Na stopiony węglan (650

^o

C) – ogniwa wysokotemperaturowe, mogące używać bezpośrednio paliwa kopalnego, lub nawet CO

- Protonowo–ceramiczne (700

^o