Najważniejsze materiały przyszłości – ciała stałe.

WYKŁAD V 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.

(Jules Verne, The mysterious island, 1874) THE DREAM “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)

Some history

Dlaczego wodór? Spalanie paliw kopalnych i innych: gaz cieplarniany (CO2) inne zanieczyszczenia (SOx, NOx) wielka polityka: zmowy paliwowe, wojny o ropę ograniczona ilość ograniczona geopolityka kwestie zachowania krajobrazu zanieczyszczenia radioaktywne ryzyko niekontrolowanego procesu 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

Pros and Cons /Za i przeciw/ 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 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 CO2 okaże się być głównym problemem, wodór byłby wymarzonym paliwem.

Paliwa gazowe & ciekłe a stałe 1937 1986 2001 ?

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/

Czysta ekonomia wodorowa przyszłości Produkcja H CH4 + 2 H2O  CO2 + 4 H2 aktywacja wiązania C–H fotoelektroliza wody, zielona energia H2 (gaz) Magazynowanie H kriogeniczne zbiorniki wysokocisnieniowe reakcje chemiczne H2 (sprężony) H2 (ciecz) H (stałe związki) Spalanie H H2/O2 Fuel cell Silnik hybrydowy Pojazd o zerowej emisji

Efekty zwiększonej cyrkulacji wody w przyrodzie = ???

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 H2 (USA & Kanada 2010) Kto nie zajmie się tym tematem TERAZ, najprawdopodobniej nie będzie miał szansy zajać się nim w ogóle!

5 przykazań magazynowania wodoru w fazie stałej Duża pojemność magazynująca: minimum 6.5 % wag H i co najmniej 65 g H/l w materiale magazynującym; Trozkł = 60–120 oC; (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.

Budowa Ogniwa Paliwowego (Fuel Cell). ANODA /Pt Nafion® KATODA /Pt Energia chemiczna  Energia elektryczna małe straty cieplne, duża wydajność w por. z cyklem Carnota

Rodzaje ogniw paliwowych H2/O2: Alkaliczne (150–200 oC) – wymagają użycia bardzo czystego H2 i O2 Na kwas fosforowy (150–200 oC) – głównie średnie do dużych aplikacji stacjonarnych Na stały tlenek (1000 oC) – ogniwa ekstremalnie wysokotemperaturowe, tolerują względnie zanieczyszczone paliwa wodorowe Z membraną wymieniającą proton (Proton Exchange Membrane) lub polimerowo–elektrolitową (Polymer Electyrolyte) Fuel Cell (60–100 oC) – najbardziej rozwinięty rodzaj ogniw, największa ilość energii na jednostkę objętości ogniwa, najprawdopodobniej jedyny kandydat do zasilania środków transportu przyszłości Na stopiony węglan (650 oC) – ogniwa wysokotemperaturowe, mogące używać bezpośrednio paliwa kopalnego, lub nawet CO Protonowo–ceramiczne (700 oC) – używa bezpośrednio paliw kopalnych Bezpośrednie ogniwa metanolowe (50–100 oC) – przyszłość w małych zastosowaniach moblinych Zn/powietrze – niski koszt, względna nieodwracalność, użycie w armii

Stacjonarne FC Transport/bus FC Przenosne FC Cell.Ph. FC Laptop FC

Anchorage /Alaska/

Who does not pick up Hydrogen Storage subject NOW, most probably would NOT have chance to work on it at all.