Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Katalitikus légszennyezés csökkentési eljárások Dr Tungler Antal egyetemi tanár MTA IKI, BME KKFT 2009.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Katalitikus légszennyezés csökkentési eljárások Dr Tungler Antal egyetemi tanár MTA IKI, BME KKFT 2009."— Előadás másolata:

1 Katalitikus légszennyezés csökkentési eljárások Dr Tungler Antal egyetemi tanár MTA IKI, BME KKFT 2009

2 A légszennyeződés forrásai: ipari műveletek, vegyipar tüzelés, erőművek, robbanómotoros járművek. Fontosabb szennyező anyagok: CO, NO, SO2, szénhidrogének, fluorozott és klórozott szénhidrogének. Szennyező anyagok termikus és katalitikus eltávolítási módszerei: Diesel füst: oxidáció Szénhidrogének: oxidáció CO: oxidáció Mérgező szerves anyagok: oxidáció és termikus bontás 1200 o C felett NO x : redukció Klórozott szénhidrogének: veszély a dioxin képződés. Ipari szagtalanítás Zsírok enyv, hal, kávé, PVC, poliuretán feldolgozás, gépkocsi fényezés.

3

4

5

6 Légszennyezők katalitikus oxidációja szennyezett levegő hőcserélő láng katalizátorágy tüzelőanyag tisztított levegő

7 Légszennyezők katalitikus oxidációja

8 Katalitikus hatású gáz szűrő Cr-V tartalmú katalizátor szálasanyagra felvive

9 Bioszűrő Biomosó

10 NOx kibocsátás salétromsavgyártásnál, ipari tüzelőberendezéseknél Véggázok % Nox 2-3% O2 tartalmúak. Redukálószerek: H2, szénhidrogének, NH3. H2 + NO2  NO + H2O 2H2 + 2NO  2H2O + N2 A hidrogén redukálószer esetén a katalizátor monolit hordozós platina. A szükséges minimális belépési hőmérséklet: hidrogénnel 470K, metánnal 750K, propán-butánnal 520K. Az oxigén eltávolítás, mivel gyorsabban reagál, mint a nitrogénoxidok, növeli a redukálószer igényt és a hőmérsékletet. Az ammónia használatának az az előnye, hogy szelektíven csak a nitrogénoxidokkal reagál. Ilymódon kevesebb kell belőle, viszont drágább, mint a szénhidrogének. 6NO2 + 8NH3  7N2 + 12H2O 6NO + 4NH3  5N2 + 6H2O Katalizátorok: Pt, Ru/ Al2O3, Cu-zeoliton, V2O5 /Al2O3, TiO2.

11 A gépkocsi kipufogó gázok tisztítása Kezdetek: California 1960-as évek, Los Angeles nyári szmog Törvények az emissziós limitekről –Kisebb, hatékonyabb motorok –Katalitikus konverter Fejlesztések a nagy autógyártóknál és a katalizátorgyártóknál

12

13

14 A motorban és a katalitikus konverterben végbemenő reakciók és ezek termékei

15 Üzemanyag nitrogén tartalmából Termikus NO Dús zónában Fenimore mechanizmus szerinti NO képződés dús keverékek égésekor

16 A katalitikus konverterben lejátszódó reakciók és termékeik

17

18 Katalizátor nagyított képe

19 Tipikus kipuffogó katalitikus konverter felépítése

20 Gépjármű katalizátorok jellemzői A katalitikus rendszerek igazán hatásosan csak befecskendezős motorokkal dolgoznak. Korszerû rendszerek: két katalizátorággyal működő illetve a többfunkciós katalizátorral dolgozó. Előbbinél a NO redukció történik az elsõben és az oxidációs folyamatok a másodikban, levegõ betáplálással. A többfunkciós katalizátor vezérelt motorral dolgozik, azaz oxigénszonda méri a kipufogógázok oxigéntartalmát, és ennek megfelelően változtatja a keverék összetételét. A redukáló összetételnél a katalizátorágyban lévő oxigénleadó komponensek (például ritkaföldfémoxidok) teszik tökéletessé az oxidációt. A katalizátorok fő komponensei: nemesfémek Pt/Pd, Pt/Rh, Fe, Ce oxidok, Ag vanadát. A katalizátor aktív komponenseit alumíniumoxiddal bevont kerámia monolitra viszik fel.

21 Gépkocsi kipufogó katalizátorok fejlesztési állomásai

22 1. Motorhoz közel elhelyezett katalizátor; 2. Elektromosan fűthető fém monolit; 3. Szénhidrogén csapda; 4. Kémiailag fűtött katalizátor; 5. Kipuffogó gáz égetés; 6. Előmelegítő égők; 7. Hidegindítás gyújtás késleltetéssel vagy kipuffogó utáni égetés; 8. Égőtér változtatható szeleppel; 9. Duplafalú kipuffogó cső. Hidegindítás hatását csökkentő megoldások

23 Szénhidrogén csapda

24 Az elektromos fűtésű katalizátor működése

25 Oxigén tárolás a háromutas katalizátorban

26 Új oxigén tároló anyag: ACZ alumíniumoxid a cérium és cirkónium oxidok között Az ACZ és a CZ összehasonlítása a diffúziós gát alapján: (a) ACZ: a CZ szinterelődését gátolják az Al2O3 részecskék amelyek a CZ részecskék között vannak diszpergálva; (b) CZ: könnyen szinterelődik diszpergens híjján.

27 A háromutas katalizátor nem hatásos a NOx redukciójában,ha a motor sovány keverékkel üzemel (λ > 1). Sovány üzem Benzinben gazdag keverék Csak <1 s időre

28 A NOx tárolás és redukció mechanizmusa

29

30 A kénmérgeződés csökkentése A TiO2 és a  -Al2O3 keveréke minimalizálja a SOx lerakódást, hexagonális cella monolit hordozó növeli a szulfát eltávozást, Rh/ZrO2-hozzáadásával a katalizátor aktív lesz a hidrogén fejlesztésében vízgőz konverzióval. A bevonatok fényképe a négyzetes és a hatszögletű celláknál a monolit szerkezetben

31 A katalitikus reakciók Nem kívánatos reakció: Katalizátorok a Diesel motorokhoz

32

33

34

35

36 Szelektív katalitikus NO redukció

37 Diesel részecske csapda égetővel

38 Katalitikus részecske csapda

39 Toyota Hybrid Synergy Drive ®

40 PRIUS prior, to go before “Ahead of its time”

41 Toyota Hybrid Synergy Drive ® Jövő járműve

42 Hibrid rendszerek Soros hibrid rendszer Soros hibrid rendszer = “Villamos hajtású autó benzinmotor hajtotta generátorral ellátva” Benzinmotor hajtja a generátort Generátor feszültséget szolgáltat a villamos motornak a kerekek hajtásához Nincs mechanikus kapcsolat a benzinmotor és a kerekek között: A benzinmotor soha nem hajtja közvetlenül a járművet. G M Engine Inv HV Battery Toyota Hybrid Synergy Drive ®

43

44 Hibrid rendszerek Párhuzamos hibrid rendszer Párhuzamos vagy “Lágy” hibrid rendszer Benzines és villamos motor közvetlenül hajtja a kerekeket “Lágy”: –Benzinmotor szolgáltatja az elsődleges hajtó energiát –Villamos motor csak rásegít amikor a kiegészítő teljesítmény vagy nyomaték szükségessé válik Villamosmotor nem tudja önállóan mozgatni a járművet! Lassítás közben: –motor = generátor (tölti az akkumulátor egységet) = regeneratív fékezés MG Engine Inv HV Battery TM 12V Toyota Hybrid Synergy Drive ®

45 Honda IMA rendszere

46

47

48 Toyota Hybrid Synergy Drive ® Soros/párhuzamos hibrid Toyota Hybrid Synergy Drive ® “Erős” hibrid rendszer: Különálló generátor –Tölti a HV akkumulátort –Táplálja a villamos motort Szinergia a: –korszerű villamos motor- és –Benzinmotor teljesítménye között A leghatékonyabb hajtás választása: –Villamos motor –Benzinmotor –A kettő kombinációja Regeneratív fékezés Sosem kell külső forrásból tölteni!!! HV Battery MG1 MG2 Engine Inv PS 12V Toyota Hybrid Synergy Drive ®

49 Mi a Toyota Hybrid Synergy Drive ® ? Toyota Hybrid Synergy Drive ® TOYOTA Hybrid Synergy Drive Hatékonyan ötvözi a a mozgató energia 2 típusát amely kedvezően egészíti ki egymást: –Villamos motor: Nagy és állandó nyomaték, szinte 0 fordulattól –Belsőégésű motor: Magas teljesítmény Nyomaték Jármű sebesség V. motor teljesítmény : V. motor Nyomaték : B motor nyomaték : Teljesítmény

50 Generátor Belsőégésű Motor Differenciálmű HV akkumulátor Inverter Motor Nyomaték- osztó egység (bolygómű egység) HV Battery MG1 MG2 Engine Inv PS 12V Toyota Hybrid Synergy Drive ® Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

51 Toyota Hybrid Synergy Drive ® Belsőégésű motor 1.5-liter, 16-szelep, DOHC VVT-i Atkinson ciklusú benzinmotor (speciális VVT-i hangolás magas sűrítési arány mellett) Magas termikus hatásfok Speciális fejlesztés a hibrid rendszerhez Európai Step IV-es emisszió Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

52 Toyota Hybrid Synergy Drive ® Hibrid Hajtómű CVT mintájára (Constant Variable Transaxle) Nincs zajos szíj = „okos” hajtómű nyomatékosztó egységgel (bolygómű egység) –Összekapcsolja a:  Benzinmotort  generátort  Villamos motort & kerekeket PS Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

53 Generátor / indítómotor Tölti a HV akkumulátort vagy Ellátja a villamos motort Indítja a benzinmotort Szabályozza a CVT funkciót Generátor Toyota Hybrid Synergy Drive ® Benzinmotor Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

54 Motor Toyota Hybrid Synergy Drive ® Hajtó villamos motor / Generátor Hajtja a járművet Végrehajtja a regeneratív fékezést Max. teljesítmény: 50 kW Max. nyomaték: 400 Nm ! –Álló helyzetből –Széles skálán Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

55 Nyomatékosztó egység = bolygómű (a rendszer lelke…) Összekapcsolja a benzinmotort és a két villamos gépet Elosztja a benzinmotor teljesítményét: –A kerekek felé –Generátor felé Nyomatékosztó egység (bolygómű egység) Toyota Hybrid Synergy Drive ® Motor MG1 MG2 b.motor Generátor Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

56 HV akkumulátor A csomagtérben a hátsó ülés mögött Emellett 408 l csomagtér kapacitás Magas belső ellenállás (teljesen töltött akkumulátor 60 napig tartja a töltését) HV akkumulátor egység Toyota Hybrid Synergy Drive ® Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

57 HV akkumulátor Szigetelt Nikkel metal hydride (Ni-MH) akkumulátor Szerviz csatlakozó 28 modul Modul (6 Cella) Cella (1,2 V) Toyota Hybrid Synergy Drive ® Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek

58 Energia gazdálkodás Toyota Hybrid Synergy Drive ® : Mozgató erő : B.motor hajtóerő Haladás Lassítás gyorsítás B.Motor leáll Kisütés  Töltés Toyota Hybrid Synergy Drive ® Energia + - B.motor áll Elindulás Regeneratív fékezés Kisütés Töltés HV akkumulátor idő Jármű áll B.Motor beindul HV battery HV akkumulátor Fékezés

59 Energiafolyam megjelenítése A nyilak az energiafolyam irányát mutatják: –narancs (benzin motor) –sárga (villamos motor/generátor) Visszatáplált energia: –Megforduló nyílirány –Nyíl színe zöldre vált Visszamaradó HV akk. töltöttség: –zöld = töltött –piros = kisütött Toyota Hybrid Synergy Drive ® Toyota Hybrid Synergy Drive® Működés

60 EV Mód Normál Toyota Hybrid Synergy Drive ® Vezérlés Villamos hajtás mód (EV mód) A benzinmotor működtetése késleltetett EV mód felfüggesztése EV mód kapcsoló ismételt megnyomása HV akkumulátor töltöttsége alacsony HV akkumulátor hőm. kicsi vagy nagy A benzinmotor bemelegítése tart Járműsebesség bizonyos mértéket meghalad A gázpedál bizonyos helyzetet elér vagy Toyota Hybrid Synergy Drive ®

61 Toyota Hybrid Synergy Drive ® Vezérlés Villamos hajtás mód EV mód kapcsolója pillanatkapcsoló típusú EV mód bekapcsolva: –+/- 1 km < 45 km/h síkúton (általános töltöttség esetén) EV mód kapcsolója Toyota Hybrid Synergy Drive ®

62 Toyota Hybrid Synergy Drive ® Hatásfok Toyota Hybrid Synergy Drive ®

63 Toyota Prius III 2010 EPA becsült üzemanyag fogyasztás 50 mf/gallon 4,85 liter/100 km. Motor 1.8 liter, összteljesítmény 134 lóerő

64 Tüzelőanyagcellák Fuel cells A tüzelőanyagcella két elektródból és a köztük lévő elektrolitból áll. Az egyik elektródhoz oxigént, a másikhoz hidrogént vezetve elektromos áramot, hőt és vizet termel. A hidrogént vezetjük az anódhoz, az oxigént a katódhoz. Az elektródok katalitikusan aktív anyagot tartalmaznak, ezen a hidrogén protonná és elektronná alakul. A proton áthalad az elektroliton és a katódon az oxigénnel és az áramkörön át megérkező elektronnal vízzé alakul.

65

66 A tüzelőanyagcella és a hagyományos Carnot ciklus hatásfoka a hőmérséklet függvényében

67 Tüzelőanyagcella hatásfoka Termodinamikai hatásfok: efftd =  G/  H  G = - n*F*E ahol n az elektronszáma a folymatnak, F a Faraday konstans (96500 A*s) E az elméleti cellapotenciál. Ebből levezethető az elektrokémiai hatásfok: eff el = V/E ahol V a cellafeszültség. A hidrogén-oxigén cellára 25 o C-on a megfelelő értékek:  H = -287 kJ/mol,  G = -238 kJ/mol,  S = -164 JK-1mol-1, n = 2 Ezekből az értékekből számolva eff td = 0,83, E = 1,23V Terhelés alatt (100mA/cm 2 ) a cella feszültség kb. 0,85V lehet. Ebből az elektrokémiai hatásfok: eff el = V terh /E = 0,85/1,23 = 0,69 A termikus hatásfokot úgy kapjuk, hogy kiszámoljuk a hidrogén-oxigén reakció entalpiájából a vonatkozó feszültséget: (287 kJ/mol)/(2*96,5 kA*s) = 1,5V0,85/1,5 = 0,57

68 Alkálikus elektrolittal a következő reakciók játszódnak le: A katódon: O H 2 O + 4 e -  4 OH - Az anódon: 2 H OH -  4 H 2 O + 4 e - A bruttó reakció: 2 H 2 + O 2  2 H 2 O Savas elektrolittal a következő reakciók játszódnak le: A katódon: ½ O H e -  H 2 O Az anódon: H 2  2 H e - A bruttó reakció: H 2 + ½ O 2  H 2 O

69 Az energia átalakítás hatásfoka az erőmű nagyságától függően összehasonlítva polimer savas elektrolitos és szilárd oxidos tüzelőanyagcellákéval

70 Proton cserélő membrán cella : Nafion membrán, elektrokatalizátor, porózus karbon elektródon.

71

72 TEM-kép a 20 t.% Pt 3 Sn/Vulcan E-TEK katalizátorról

73 A tüzelőanyag cellák osztályozása DirektIndirekt Közvetlenül oxidálják az üzemanyagotElőzetes üzemanyag átalakítással működnek, ez csökkenti a hatásfokot Működési hőmérséklet szerint: Nagyközepesalacsony Működési nyomás szerint: Nagyközepesalacsony Az üzemanyag és az oxidálószer szerint: Gázalakú reaktánsok (hidrogén, ammónia, levegő, oxigén) Folyadék üzemanyagok (alkoholok, hidrazin, szénhidrogének) Szilárd üzemanyagok (szén, hidridek) Elektrolit szerint: Lúgos cellák (AFC). Foszforsavas cellák (PAFC). Karbonát olvadékos cellák (MCFC). Szilárd oxid cellák (SOFC). Protoncserélő membrános cellák (PEMFC). Az elektrolit lehet folyadék halmazállapotú, ezek a mobil elektrolitos rendszerek, ha az elektrolit szilárd mátrixba van felitatva, akkor ezeket immobil vagy mátrix rendszereknek hívják. AFC: KOH oldat elektrolit, CO 2 mentes üzemanyagot és levegőt igényel. Az elektródok lehetnek nikkel, vagy platina fémmel készültek, a katód szénből és műanyagból.

74 MCFC: anód porózus nikkel, oxidokkal keverve, a katód lítium tartalmú szinterelt nikkel-oxid. Az elektrolit Li-K karbonát, lítium-aluminát mátrixban, a cellák bipoláris konfigurációjúak. Működési hőmérséklet kb. 700 o C. Tipikus elektród reakciók: AnódonH 2 + CO 3 2-  H 2 O + CO 2 +2 e - Katódon½ O 2 + CO 2 +2 e -  CO 3 2- PAFC: elektrolit foszforsav szilíciumkarbid mátrixban, elektródok Pt/C/PTFE, bipoláris lemezek grafit-műanyag kompozitokból készülnek. Ezek a cellák átalakított üzemanyaggal is működnek, mert a széndioxid és a szénmonoxid nem zavarnak. PEMFC: elektrolit lemez szulfonált politetrafluoretilén. SOFC: elektrolit Y 2 O 3 és ZrO 2 keveréke, működési hőmérséklet 1000oC. Anódos reakciók: H 2 + O 2-  H 2 O + 2 e - CO + O 2-  CO e - Katódos reakció: ½ O e -  O 2- Anód anyaga Ni/ZrO 2, katód anyaga LaMnO 3.

75 Kereskedelmi tüzelőanyagcella összeállítások 1200W-16kW

76 Mi kell az ÖKO autóhoz? Tüzelőanyagcellás jármű, megfelelő hidrogén tárolási kapacitással. Olcsón előállítható hidrogén, amit bárhol tankolhatunk, mint most a benzint vagy gázolajat. Elektromos hajtású autó, nagy fajlagos kapacitású akkumulátorral, olcsó elektromos áram megújuló forrásból

77 Hidrogén előállítási lehetőségek Fosszilis Megújuló

78 Fotóelektrolízis

79 Foto-bio hidrogén előállítás

80 A jód-kén ciklusok Korróziós problémák!!!

81 Hidrogén tárolás Gáz formában: elérhető, drága, szénszálas anyagokkal, 6-10 t% H bar Folyadék állapotban: elérhető, drága, mélyhűtés Dewar edényekben 20 t% H 2 1 bar -253 o C Szilárd állapotban: hidridekben, fémötvözetekben, szén nanocsövekben, távol a megvalósítástól 9 t% H bar

82 A távolabbi jövő: az ITER

83 A fúziós reakció

84

85

86

87 Szükségünk van-e hidrogén, metanol,  -valerolakton stb. gazdaságra? Átalakítsuk a megtermelt elektromos energiát veszteséggel kémiai energia hordozóvá? Majd szintén veszteséggel alakítsuk vissza elektromos majd mechanikai energiává? Másik megoldás, hogy tároljuk minél kisebb tömegű tárolóban (akkumulátor, kapacitor), ami sokszor feltölthető és abból nyerjük vissza sokkal jobb hatásfokkal az elektromos energiát?

88 Az energia probléma nagyságrendje (egy “megrázó” példa) Frankfurt Airport (2004) 520 gép indul naponta, 50 Jumbo Jets (Boeing 747) 130 t kero zin per Jumbo = 50 t folyékony h i drog é n A napi 50 Jumbo Jet kiszolgálásához : (2,500 t LH 2 / nap, 36,000 m 3 LH 2 / nap, ehhez 22,500 m 3 víz / nap ) Az elektrolízis, cseppfolyósítás, szállítás és töltés 8 db 1GW erőmű folyamatos működését igényli ! Legalább 25 nu kleáris erőmű és Frankfurt teljes vízfogyasztása kell az 520 jet kiszolgálásához a Frankfurt Airport -on. Az energia probléma nem oldható meg azzal, hogy a fosszilis tüzelőanyagokról átállunk hidrogénre! Ulf Bossel – October 2005

89 ? ? ? Jövő fenntartható energiával Elhagyja Benzin megyét Belép Hidrogén megyébe Ulf Bossel – October 2005

90 “Creation” of “Hydrogen Energy” (1) 1.From water by electrolysis H 2 O => H 2 + ½ O 2 2 hydrogen atoms = 2 hydrogen atoms 1 oxygen atom = 1 oxygen atom Species balance 2. From natural gas by reforming CH H 2 O => 4 H 2 + CO 2 1 carbon atom= 1 carbon atom 8 hydrogen atoms= 8 hydrogen atoms 2 oxygen atoms = 2 oxygen atoms Species balance Simple equations, friendly elements H, O and C Hydrogen promoters are happy! Even politicians can follow and initiate hydrogen programs Ulf Bossel – October 2005

91 “Creation” of “Hydrogen Energy” (2) 1.From water by electrolysis H 2 O => H 2 + ½ O 2 18 kg H 2 O = 2 kg H kg O 2 9 kg H 2 O = 1 kg H kg O 2 Mass balance 2. From natural gas by reforming CH H 2 O => 4 H 2 + CO 2 16 kg CH kg H 2 O = 8 kg H kg CO 2 2 kg CH kg H 2 O = 1 kg H kg CO 2 Mass balance Clean water availability may limit hydrogen production Mass handling not trivial. Carbon sequestration??? 1 kg hydrogen replaces 1 Gallon or 4 Liters of gasoline Ulf Bossel – October 2005

92 “Creation” of “Hydrogen Energy” (3) 1.From water by electrolysis H 2 O => H 2 + ½ O 2 2. From natural gas by reforming CH H 2 O => 4 H 2 + CO 2 Energy balance Where does the energy come from to make and distribute hydrogen? We need to solve energy problems, not chemical problems! electrical energy = energy in H kJ/mol = 286 kJ/mol Reality: 130% energy input = 100% energy in H % energy loss Methane energy + heat= energy in H kJ/mol kJ/mol= (4 x 286 kJ/mol =) 1,144 kJ/mol Reality: 110% energy input = 100% energy in H % energy loss Energy balance Add 100% for hydrogen distribution to customers Ulf Bossel – October 2005

93 primary energy consumption increased more coal, more nuclear energy more CO 2 and radioactive waste time wasted global catastrophe Leaving Gasoline County Entering Hydrogen County Ulf Bossel – October 2005

94 Sustainable Energy Future Leaving Chemical Energy County Entering Physical Energy County Ulf Bossel – October 2005

95 Common Goal: Sustainable Energy Future Only two conditions must be satisfied: Need to re-organize the entire energy system for a sustainable energy future 2. Energy must be distributed and used with highest efficiency 1. Energy source, sink, handling and use must be sustainable Ulf Bossel – October 2005

96 Sustainable Energy Oil, natural gas, coal or nuclear are not sustainable! Energy from sustainably managed renewable sources: Solar energyphotovoltaicDC electricity thermalAC electricity, hot water, space heating etc. Wind energyAC electricity HydropowerAC electricity Ocean energywaves, tidesAC electricity GeothermalheatAC electricity, hot water, space heating etc. Biomass and organic wasteheat, organic fuels heatAC electricity, hot water, space heating etc. Energy carriers like water, hydrogen, electrons etc. obey the laws of species conservation. Energy carriers cannot be classified as „sustainable“ Most renewable energy is “harvested” as electricity Ulf Bossel – October 2005

97 Solar Energy Availability Solar energy received by red area exceeds World energy consumption In addition: wind, waves, geothermal, biomass, organic waste etc. Ulf Bossel – October 2005

98 Energy Challenge With the exception of biomass nature provides physical energy kinetic energy of wind, water, waves solar radiation heat form geothermal sources With the exception of food people need physical energy motion communication lighting heating and cooling (space conditioning and cooking) industrial processes Whenever possible, avoid conversions across the chemical -|- physical energy boundary The challenge is the direct transfer of physical energy from source to service Ulf Bossel – October 2005

99 Energy Flux Diagram of Germany (1995) yellow:primary energy blue: energy losses purple:useful energy Ulf Bossel – October 2005

100 Electricity from renewable sources Electrolysis (80%) synthetic hydrogen Compression Liquefaction Distribution Storage transfer Consumers need motion, sound, light, heat, communication Sustainable Energy FutureFossil Energy Past physical chemical physical chemical Fossil Past and Sustainable Future hydrocarbons from biomass hydrocarbons from fossil sources Electricity from renewable sources (25%) (35%) (50%) (90%) overall efficiency: Carnot machines DMFC, MCFC, SOFC H 2 fuel cells (50%) 40% of HHV ? Ulf Bossel – October 2005

101 electrolyzerfuel cell renewable AC electricity DC electricity hydrogen gas packagedtransported transferred storedDC AC 100% 25% 20% 90% by electrons gaseous hydrogen liquid hydrogen by hydrogen Consumer Renewable Source Energy Electricity Transport Ulf Bossel – October 2005

102 Renewable AC electricity AC power 100% 110% Renewable Energy Power Plants and energy transport by electrons or hydrogen 400% 3 of 4 renewable energy power plants needed to cover losses! Also: New infrastructures Required for hydrogen Substantially more renewable electricity needed by hydrogen by electrons Ulf Bossel – October 2005

103 Consumer Cost of Energy Assumption: As today, energy losses will be charged to the customer. Therefore by laws of physics: Hydrogen energy will be at least twice as expensive as electrical energy Electricity derived from hydrogen with fuel cells will be at least four times more expensive than power from the grid The consumer will choose the low-cost solution: Electric heaters or heat pumps rather than hydrogen for heating Electric cars for commuting, not hydrogen fuel cell vehicles The last drops of oil and liquid fuels from biomass will be used for long distance driving, trucks and air transport Hydrogen has to compete with its own energy source. Therefore, it will always be an expensive fuel Ulf Bossel – October 2005

104 6 TJ Kerosene 130 tons 160 m 3 5% of energy for transport and handling 40% of energy for liquefaction transport and handling Reformer (15% losses) Electrolyzer (25% losses) Liquid H 2 50 tons 715 m TJ off refinery = 9.9 TJ total = 9.3 TJ total Kerosene H 2 by NG reforming H 2 by electrolysis m 3 of clean water m 3 of clean water 6.9 TJ (100 tons NG) TJ (electricity) 2.4 TJ (electricity) TJ (electricity) Energy Options for a Jumbo Jet Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix ? ? Liquid H 2 50 tons 715 m 3 6 TJ Liquid H 2 50 tons 715 m tons CO 2 Heavy duty and long distance transport by land, air and sea will be powered by „the last drops of oil“ or hydrocarbon biofuels Ulf Bossel – October 2005

105 5% of energy for transport and handling 50% of energy for liquefaction transport and handling Reformer (15% losses) Electrolyzer (25% losses) 0.4 kg/100 km Liquid H kg/100 km Liquid H 2 84 MJ/100 km off refinery = 88 MJ/100 km total = 83 MJ/100 km total Diesel H 2 by NG reforming H 2 by electrolysis kg/100 km of clean water kg/100 km of clean water 58 MJ/100 km (natural gas) + 25 MJ/100 km (electricity) 25 MJ/100 km (electricity) + 63 MJ/100 km (electricity) Energy Options: Diesel vs. H 2 -Fuel Cell Cars 20 MJ/100 km H 2 -Fuel Cell 40% tank-to-wheel 50 MJ/100 km (0.4 kg LH 2 /100 km) Diesel 25% tank-to-wheel 80 MJ/100 km (2.5 L/100 km) Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix ? ? No significant difference between modern Diesel and hydrogen fuel cell vehicles Ulf Bossel – October 2005

106 5% of energy for transport and handling 50% of energy for liquefaction transport and handling Electrolyzer (25% losses) 0.4 kg/100 km Liquid H 2 84 MJ/100 km off refinery = 88 MJ/100 km total Diesel Electricity for H 2 by electrolysis kg/100 km of clean water 25 MJ/100 km (electricity) + 63 MJ/100 km (electricity) Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix ? Energy Options: Diesel vs. Electricity for Cars Battery-Electric 80% plug-to-wheel 25 MJ/100 km 12% of energy for transmission. AC/DC conversion 30 MJ/100 km (electricity) Electricity for batteries 20 MJ/100 km H 2 -Fuel Cell 40% tank-to-wheel 50 MJ/100 km (0.4 kg LH 2 /100 km) Diesel 25% tank-to-wheel 80 MJ/100 km (2.5 L/100 km) Electric cars far superior to Diesel or hydrogen fuel cell vehicles Ulf Bossel – October 2005

107 50% of energy for liquefaction transport and handling Electrolyzer (25% losses) 0.4 kg/100 km Liquid H 2 = 88 MJ/100 km total Electricity for H 2 by electrolysis kg/100 km of clean water 25 MJ/100 km (electricity) + 63 MJ/100 km (electricity) Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix ? Battery-Electric 80% plug-to-wheel 25 MJ/100 km 12% of energy for transmission, AC/DC conversion 30 MJ/100 km (electricity) Electricity for batteries In a sustainable future electricity will be the main energy source. Electric cars will be preferred to hydrogen fuel cell vehicles! Sustainable Energy Options for Passenger Cars 20 MJ/100 km H 2 -Fuel Cell 40% tank-to-wheel 50 MJ/100 km (0.4 kg LH 2 /100 km) After oil depletion electric cars beat hydrogen fuel cell vehicles Ulf Bossel – October 2005

108 Transportation Status of electric cars with Li-ion Batteries (China): Range: 350 km on one battery charge. Battery recharging in minutes. Lifetime 10 years. Driving costs much less than for IC engine cars, much less than for hydrogen fuel cell vehicles Other options for commuter cars using physical energy: Compressed air, liquid Nitrogen Electric cars make much better use of electricity than hydrogen fuel cell vehicles Technology for a Hydrogen Fuel Cell Vehicles exists or can be developed But hydrogen infrastructure may never be established: Who wants to buy hydrogen? Electricity costs much less! Who wants to invest in a hydrogen infrastructure? Uncertain business! Ulf Bossel – October 2005

109 Wind Electricity for Transportation Wind-to-Wheel Energy Assessment by Patrick Mazza and Roel Hammerschlag (Lucerne Fuel Cell Forum 2005, corrected) Ulf Bossel – October 2005

110 Electric Cars are Coming Length4490 mm Width1770 mm Curb weight1590 kg Seating 5 Max. Power4 x 50 = 200 kW Max. speed180 km/h Range/charge250 km Lithium-ion90Ah at 14.8 V No. of batteries24 Max. energy stored32 kWh Gasoline equivalent 3 Liters Fuel economy1.2 L/100 km Mitsubishi Lancer Evolution MIEV: Source: Mitsubishi Corporate Press Release of August 24, 2005

111 Trends towards Electricity Transition to electricity is already in progress. Hydrogen cannot catch up with electrons Driven by source depletion and global warming: -Rising energy prices -Stationary: Improved thermal insulation and more efficient HVAC appliances Substitution of natural gas and heating oil by electricity -Mobile:: Improved efficiency of IC engines Hybrid electric vehicles and small electric commuting cars Substitution of fossil fuels by synthetic hydrocarbons and electricity -Higher efficiency of energy distribution system More direct electricity, fewer conversion steps, use of waste energy -More electricity from renewable sources Constant cost of renewable electricity at rising oil and gas prices -Change in consumer behavior Ulf Bossel – October 2005

112 Need Electrical Energy Storage Storage economy depends on service life, cycle efficiency, initial and operational costs etc. Service cycles Efficiency Hydrogen 1,000?45% Lead acid batteries 1,000?70% Compressed air >100,00075% Hydro >100,00075% Sodium-Sulfur batteries 2,000?80% Flywheels>100,00085% Li ion “batteries”>100,00090% Super capacitors>100,00095% Physical energy storage offers superior solutions Ulf Bossel – October 2005

113 Need Dispersed Electricity Storage Sustainable future: In addition to large centralized two-way storage facilities One-way storage in many small dispersed appliance-connected storage units In a sustainable energy future dispersed one-way storage will augment centralized two-way storage systems Today: Two-way storage in few large centralized facilities near power plans Power PlantConsumer Storage Renewable El. Storage Ulf Bossel – October 2005

114 Need Electricity Storage Management Dispersed one-way storage units are grid-connected They are charged by electric power utility to 80% whenever recharging is needed to 100% when excess power is available at times when surplus power is inexpensive etc. Electric cars stay grid-connected when not driven Charging conditions as above. Need automatic charge transfer platforms in garages and parking lots. Electricity received is metered on-board or by HF-signals and charged to the car owner by the end of each month Dispersed one-way electricity storage units could be managed by electric utilities, not by home or car owners Ulf Bossel – October 2005

115 Need New Electric Power Links Autonomous renewable energy areas connected by long-distance high-voltage DC power lines wind-wind hydro-solar waves-solar wind-solar biomass-wind time difference etc. Ulf Bossel – October 2005

116 Not a Question of Money How much wind energy capacity could have obtained for this sum? Assumptions: $1 Mio/MW peak or $3 Mio per MW average for advanced wind generators $2 Mio/MW from private investors $1 Mio/MW from government $1 million support could trigger investment in 1 MW continuous wind power $300 billion could lead to 300 GW continuous wind generating capacity. The “2nd Oil War” has already cost the tax payer $300 billion Harvested wind energy sufficient to power 260 million electric commuter cars for 36,000 km per year each Forever! Need 0.65% of US landmass, but farming can continue under wind generators Ulf Bossel – October 2005

117 Conclusions A sustainable energy future is possible when based on energy from renewable sources and highest efficiency! Prepare for an “Electron Economy” We need: Energy strategies based on physics, not fantasies Investments in sustainable technology, not research True political leadership Energy base must be changed from chemical to physical Physics is eternal and cannot be changed by governments. Therefore by laws of physics: Hydrogen can never compete with its own energy source. A “Hydrogen Economy” has no past, no present and no future Ulf Bossel – October 2005


Letölteni ppt "Katalitikus légszennyezés csökkentési eljárások Dr Tungler Antal egyetemi tanár MTA IKI, BME KKFT 2009."

Hasonló előadás


Google Hirdetések