Laboratorij za termoenergetiko - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/napredne_tehnologije_v_energetiki/nte-v08... · Gibsova prosta energija' G ' H T ' S reverzibilna napetost in

Laboratorij za termoenergetiko

Vodikove tehnologije

Pokrivanje svetovnih potreb po energiji

2 Tehnologija gorivnih celic

nafta 32%

premog 27% plin 22%

jedrska 6%

biomasa 10% voda 2%

sonce 0,4%

veter 0,3%

geoterm. 0,2%

biogoriva 0,2%

fotovolt. 0,04%

Kljub naprednim načinom pridobivanja energentov so zaloge omejene.

Potencialna rešitev so obnovljivi viri energije OVE

Razpoložljivost in poraba električne energije


0 24 48 72 96 120 144 168

po

rab

a in

pro

izvo

dn

jae

lekt

ričn

ee

ne

rgije

čas / h

sonce

veter

poraba

primanjkljaj energije

presežek energije

Rešitev: shranjevanje energije – vodik

1. Veljati mora energijska bilanca – porabimo lahko toliko energije, kot jo proizvedemo

2. Veljati mora sočasnost – električno energijo je treba proizvesti takrat, ko jo potrebujemo – shranjevanje še vedno nerešljiv izziv

Pretvorba energije iz goriv v elektriko

Krožni procesi:

primarni vir električna energija

? Sončni moduli

primarni vir

zgorevanje

dimni plini para mehanska energija

električna energija

prenosniki toplote

turbina generator

Neposredna pretvorba:

Delovanje fotonapetostnega modula in elektrarne

Delovanje fotonapetostnih sistemov

• Material na katerem temelji tehnologija: Silicij


Sončne celice so v osnovi polprevodniške diode z veliko površino. Do pretvorbe energije svetlobe v električno energijo (tok) prihaja zaradi fotovoltaičnega pojava. Pri vpadu fotonov na kristalno mrežo polprevodnika fotoni oddajo svojo energijo kristalni mreži in če je energija dovolj velika, ta pojav povzroča nastajanje prostih valenčnih elektronov.

Tipi fotonapetostnih modulov

Monokristalne sončne celice – levo (foto: Denis Lenardič), Polikristalne sončne celice – na sredini (vir/copyright Solar-fabrik),

Amorfne sončne celice – desno (vir/copyright Solar-fabrik)

• Fotonapetostni modul je osnovni še zamenljiv element fotonapetostnega sistema. Sestavljen je iz večjega števila med seboj povezanih sončnih celic.

• Glede na tehnologijo sončnih celic ločimo:

– monokristalne,

– polikristalne in

– amorfne module.


http://www.solarfabrik.de/






Karakteristika tok – napetost, krivulja moči in izkoristek modula


Karakteristika tok – napetost:

• informacija o delovanju fotovoltaičnega modula;



MPP (maximum power point):

• določimo iz I – U krivulje ali krivulje moči;



Izkoristek fotonapetostnega modula:

• Razmerje med proizvedeno električno in vpadno sončno energijo;

• Električna moč:

• Vpadla moč svetlobnega vira:

𝜂𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖č𝑛𝑎 =𝑃𝑒𝑙.

𝑃𝑣𝑝𝑎𝑑𝑙𝑎

𝑃𝑒𝑙. = 𝑈 ∗ 𝐼

𝑃𝑣𝑝𝑎𝑑𝑙𝑎 = 𝐹 ∗ 𝐼𝑘𝑟. ∗ 𝐴

Ikr. … kratkostični tok (največji fotoelektrični tok) je sorazmeren fotonom (sevanju), ki zadane modul

𝑃𝑀𝐴𝑋

𝐼𝐾𝑚𝑎𝑥= 𝐹 … 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟

Pmax = 1000 W/m2 IKmax2 = 600 mA

Približna vrednost vpadne sevalne moči

na enoto površine

Vodik


• dvo-atomen plin (H2) • brez barve • brez vonja • nestrupen • tališče: -259 °C • vrelišče: -252,8 °C • zgornja kurilnost: 12745 kJ/m3

• spodnja kurilnost: 10800 kJ/m3

• izotopi: 1H vodik, 2H devterij, 3H tritij

Shranjevanje:

Lastnosti pri normalnih pogojih:

Gorivne celice


Pretvorba energije iz goriv v elektriko

Krožni procesi:

gorivo električna energija

? Gorivne celice

gorivo

zgorevanje

dimni plini para mehanska energija

električna energija

prenosniki toplote

turbina generator

Neposredna pretvorba:


Prednosti in slabosti gorivnih celic

+ boljši izkoristek kot pri krožnih procesih

+ ni škodljivih emisij

+ ni gibljivih delov

+ nizka stopnja hrupa

tehnologija izdelave

problemi pri delovanju

občutljivost in iztrošenje katalizatorjev

dragi materiali


PREDNOSTI SLABOSTI

Delovanje PEM gorivnih celic


Gorivna celica

Tehnologija gorivnih celic 15

H2,H2

,

Svodik

elekticnage

HV

tIU

W

W

energijski izkoristek:

anoda (oksidacija): H2 → 2H+ + 2e− E0 = 0,00 V katoda (redukcija): ½O2 + 2H+ + 2e− → H2O E0 = 1,23 V

Reakcije:

Termodinamika PEM gorivnih celic


83,0f

f0

H

G

0… standardni pogoji (p = 1 atm, T = 298 K)

V23,1f0

Fz

GE

felec GW

∆𝐻𝑓 = -286 kJ/mol

∆𝐺𝑓 = -237 kJ/mol

𝐹 = 96485 As/mol

STHG

Gibsova prosta energija

reverzibilna napetost in maksimalni izkoristek

gorivne celice

Pridobivanje vodika z elektrolizo (PEM)


Elektrolitski reaktor


anoda (oksidacija): 2H2O(l) → O2(g) + 4H+ + 4e− E0 = −1,23 V

katoda (redukcija): 2H+(aq) + 2e− → H2(g) E0 = 0,00 V

Faradayev prvi zakon elektrolize:

Fzp

tITRV

Fz

tIMm

Fz

tIn

teo

teoteo

,reak

,reak,reak

tIU

HV

W

Wη

S

el

re

H2,H2H2,

energijski izkoristek:

Elektroliza:

Termodinamika PEM elektrolize


0… standardni pogoji (p = 1 atm, T = 298 K)

V23,1f0

Fz

GE

felec GW

∆𝐻𝑓 = -286 kJ/mol

∆𝐺𝑓 = -237 kJ/mol

𝐹 = 96485 As/mol

STHG

Gibsova prosta energija

reverzibilna napetost in termonevtralna napetost

elektrolize

𝐸𝑡 =∆𝐻𝑓

𝑧 ∙ 𝐹= 1,48 𝑉

Laboratorij za termoenergetiko - lab.fs.uni-lj.silab.fs.uni-lj.si/kes/napredne_tehnologije_v_energetiki/nte-v08... · Gibsova prosta energija' G ' H T ' S reverzibilna napetost in

Documents