Informație

Este hidrogenul gazos prezent în biogaz și se aprinde spontan?

Este hidrogenul gazos prezent în biogaz și se aprinde spontan?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Este hidrogenul gazos prezent în biogaz? Deoarece este foarte inflamabil, poate aprinde celelalte gaze precum metanul?


Constituția biogazului depinde în mare măsură de sursa acestuia și de microbul de fermentare. Dar, în general, conține hidrogen aproximativ 0-1%. Chiar dacă ar conține cantități mari, amestecul ar fi inflamabil, dar nu ar izbucni în flăcări fără aprindere externă, ceea ce ar putea fi orice fluctuație mică de căldură dacă amestecul este prea instabil. Dar, în general, un gaz inflamabil nu începe să ardă de la sine.


Temperatura de autoaprindere a unui amestec combustibil de hidrogen în aer este de 500 de grade C sursă - Wikipedia. Nu se va aprinde spontan, o parte din ea trebuie mai întâi să atingă acea temperatură printr-o scânteie, flacără sau altă sursă de căldură. Odată ce se aprinde, bineînțeles și metanul va arde.


Biogaz: introducere

Biogazul este în mare parte metan (aproximativ 60%) cu dioxid de carbon (aproximativ 40%) și puțin hidrogen și hidrogen sulfurat. Este produs de bacterii anaerobe care descompun materia organică în absența oxigenului (când materia organică este îmbibat cu apă - adică o suspensie). Procesul are loc și în gropile de gunoi și în sistemul digestiv al oamenilor și al altor animale (da, farturile sunt biogaz).

Biogazul este generat în mod natural în noroiul de pe fundul mlaștinilor –’se numește gaz de mlaștină și poate provoca flăcări mici peste apă, din cauza gazelor produse de bacterii care se aprind spontan. și aprinderea metanului.

Mic digestor experimental de biogaz. Deșeurile sunt puse în tamburul de ulei, capacul din neopren se ridică atunci când este plin de gaz, gazul este introdus într-un recipient (tambur de plastic cu capul în jos cu sigiliu de apă) care se ridică pe măsură ce intră mai mult gaz. Când este plin, gazul poate fi extras și utilizat printr-un mic inel de gaz.

Dar îl putem face noi înșine din deșeuri vegetale și animale, și chiar și deșeurile umane, materialul moale este mai bun decât crenguțele / materialul lemnos. Biogazul poate fi ars pentru a conduce un generator, sau la o scară mai mică, pentru a găti sau a aprinde lămpi cu gaz. De asemenea, au fost dezvoltate motoare cu biogaz pentru transport.

Echipamentul în care materia organică se descompune în mod anaerob se numește digestor și există și un fel de container de depozitare pentru gazul produs. Biogazul brut poate fi ‘scurajat’ prin trecerea lui prin var stins, care elimină cea mai mare parte a CO 2 și îi crește puterea calorică.

Experiment cu mini-biogaz, funcționând exact pe același principiu ca și digestorul de mai sus.

Cele două tipuri principale de digestoare sunt cele continue și discontinue. Digestoarele continue au un debit constant de material, iar digestoarele discontinue extrag gazul dintr-un lot de material conținut, care este apoi golit și adăugat un nou lot.

Digestoarele de biogaz sunt deja utilizate pe scară largă în țările în curs de dezvoltare, în special în India și China, deoarece lemnul de foc pentru gătit devine rar. Există milioane de plante de familie mici în India și China. În Occident, digestoarele tind să fie la scară mai mare, luând nămol de animale și ape uzate umane. Dar pot fi și la scară internă, pentru persoanele care doresc să-și reducă dependența de combustibilii fosili.

Digestor de biogaz Teeny-weeny, care funcționează cu gunoi de grajd și deșeuri de bucătărie, care produce gaz pentru gătit și scurgeri de compost pentru grădină și folosește o cameră de mașină pentru depozitarea gazului!

Care sunt beneficiile biogazului?

Reduce emisiile de CO 2

Pentru că este un înlocuitor al gazelor naturale. Deoarece CO 2 din biogaz provine din materie vegetală recent în viață (chiar dacă a fost hrănit animalelor), face parte dintr-un ciclu – adică CO 2 emis prin arderea biogazului este absorbit de plante care vor furniza biogaz în viitor și așadar. pe.

Reduce emisiile de metan

Agricultura animală este responsabilă pentru aproximativ 40% din metanul eliberat în atmosferă de activitatea umană. Când metanul este ars, eliberează CO 2 , dar metanul este de aproximativ 30 de ori mai puternic ca gaz cu efect de seră decât CO 2 , așa că este o idee bună să-l arzi în loc să-l eliberezi. Cu toate acestea, este mai bine ca deșeurile organice să fie separate și puse într-un digestor anaerob în loc să colecteze metanul de la depozitele de gunoi și ar economisi mai multă energie dacă toate deșeurile organice, inclusiv hârtia, ar fi reciclate în loc să fie depozitate – în plus, ar preveni levigarea. de contaminanți în apele subterane și în sol.

Secțiune transversală simplificată a unui tip de digestor utilizat pentru deșeurile animale și umane în toată China și Orientul Îndepărtat. În acest sistem poate fi încorporată o toaletă. Imagine: Tkarcher, CC BY-SA

Reduce utilizarea resurselor

Biogazul nu are nevoie de milioane de kilometri de țevi pentru a-l livra și nu trebuie să fie lichefiat și expediat în întreaga lume, cu toate resursele și energia pe care aceste lucruri le presupun. Plus salvează copaci (pentru lemne de foc). Gazul natural este finit, așa că nu va dura pentru totdeauna - și probabil vor fi războaie pentru el pe măsură ce se va epuiza.

Digestor puțin mai mare, umplut cu gunoi de grajd animal colectat de la micile exploatații locale, cu un filtru de vată de oțel pentru îndepărtarea hidrogenului sulfurat și rezervoare de stocare a gazelor cu sigiliu de apă plus o demonstrație de gătit cu gaz.

Creează două resurse regenerabile

Nămolul de epurare și nămolurile de animale ajung de obicei oricum ca îngrășăminte, așa că este mai bine să obțineți mai întâi combustibil din el și să preveniți în același timp scurgerea și emisiile de metan - și veți primi în continuare îngrășământ la sfârșitul procesului. Este veriga lipsă pentru cei care doresc să treacă de la combustibilii fosili – mulți oameni își încălzesc casele cu lemne și apa cu energie solară și își obțin electricitatea din vânt și solar – dar gătitul este o problemă, este prea scump cu electricitatea, și agas sunt scumpe, durează mult să se aprindă și îți vor face spațiul prea cald vara. Gazul este cel mai bun pentru gătit, dar cu biogaz se poate face fără facturi la gaz.

NB: ca și în cazul altor biocombustibili, considerăm că materia primă (materiile prime) ar trebui să fie deșeuri. Nu credem că este o idee bună să punem deoparte suprafețe mari de teren pentru cultivarea combustibililor atunci când o mare parte din lume nu are suficientă hrană (deși risipa de la culturile alimentare este în regulă). Vezi Biofuel Watch. De asemenea, digestoarele la scară mare trebuie să fie alimentate de operațiuni mari, cum ar fi fermele fabrici sau stațiile de canalizare. Acestea aduc propriile probleme, cum ar fi hormonii, cruzimea față de animale și transportul și substanțele chimice consumatoare de energie. Credem că cea mai bună soluție este de obicei cea mai mică scară posibilă – în acest caz, la scară fermă sau casnică.

Adăugarea deșeurilor alimentare într-un mic digestor.

Ce pot face?

Configurare

Digestoarele discontinue bazate pe un fel de tambur/container sunt fezabile la scară internă. Digestoarele continue sunt populare în Asia - o groapă de admisie și de evacuare cu un recipient de gaz din beton sau oțel. Puteți să vă construiți propria dvs. – citiți o carte, vedeți pagina noastră de link-uri sau participați la un curs.

Cum se construiește un digestor de biogaz la scară casnică / fermă.

Dimensiunea

În India, pentru o familie de 8 persoane cu câteva animale (să zicem 8-10 vaci), este recomandat un digestor de 10 m³, cu stocare de gaz de 2 m³. Dar un mic digestor de familie tipic va avea aproximativ un metru cub. Pentru gătit și iluminat, nu aveți nevoie de multe. Fiecare kg de material biodegradabil va produce aproximativ 0,4 m³ (400 l) de gaz, iar becurile cu gaz au nevoie de aproximativ 100 l pe oră. 2 inele de gaz pentru câteva ore pe zi vor folosi între 1-2 m³, așa că dacă aveți niște animale, plus deșeuri de bucătărie și umane, puteți face acest lucru cu ușurință. Când vine vorba de conducerea oricărui tip de motor (de exemplu, un generator sau o pompă), este o problemă diferită și depășește cu mult la scară casnică. Cât timp lăsați materialul într-un digestor discontinuu depinde de temperatură (2 săptămâni la 50°C până la 2 luni la 15°C). Media este de aproximativ 1 lună, așa că măsurați cât material veți adăuga în fiecare zi și înmulțiți-l cu 30 pentru a calcula dimensiunea digestorului.

Digestor de biogaz dintr-o fermă de familie din India, nu există niciun motiv pentru care să nu poată fi folosite cu succes și în Occident.

Ceea ce nu sprijinim este construirea de digestoare gigantice pentru a lua cantități uriașe de porumb, cultivat special pentru a hrăni digestoarele. Vezi aici și aici pentru mai multe despre asta. Acest lucru nu înseamnă că biogazul este o idee proastă, este doar o problemă „mică este frumoasă”, folosită cel mai bine pentru a prelua deșeurile pentru a produce energie și compost la scara fermei. Problema este scara, nu tehnologia. Din al doilea dintre aceste două articole:

“Prima și cea mai evidentă problemă este că înseamnă scoaterea pământului din producția de alimente. O instalație de biogaz cu o capacitate de un megawatt ‘necesită 20.000-25.000 de tone [de porumb] pe an, reprezentând 450-500 de hectare de teren’. Luați în considerare, când citiți asta, că capacitatea medie a unei turbine eoliene offshore este de patru megawați. Patru sute cincizeci de hectare de pământ sau un stâlp de beton în fundul mării – poate exista vreo îndoială cu privire la care este varianta mai bună?”

Fierberea apei cu biogaz.

Utilizare

Deșeurile introduse trebuie să fie o suspensie – așa că adăugați apă dacă este prea solidă. Încercați să mențineți temperatura cât mai ridicată se generează puțină căldură, dar în țările mai reci digestorul va avea nevoie de izolație și chiar de puțină căldură în plus iarna (care ar putea fi furnizată de o parte din biogaz). O seră este un loc bun pentru ea.

Siguranță

Metanul este exploziv – consultați site-ul web al Universității Adelaide pentru considerente de siguranță.

În timp ce sunteți aici, de ce să nu aruncați o privire la celelalte 25 de subiecte de utilități disponibile? Și nu uitați să vizitați pagina noastră de subiecte principale pentru a explora peste 200 de aspecte ale vieții cu impact redus și pagina noastră de pornire pentru a afla mai multe despre de ce facem ceea ce facem.

Ne-ar plăcea să auzim comentariile, sfaturile și sfaturile dvs. cu privire la acest subiect și, dacă postați o întrebare, vom încerca să găsim un specialist din rețeaua noastră care să vă răspundă.


Biohidrogen

23.2.1 Biohidrogen prin gazeificare

Pe lângă producerea de biohidrogen din biogaz, acesta poate fi produs și prin gazeificarea biomasei, similar cu producția de bio-SNG. Trebuie utilizată o metodă de gazeificare care să producă un gaz cu conținut mai mare de hidrogen. În caz contrar, este necesară reformarea suplimentară cu abur pentru a transforma metanul în hidrogen. Deplasarea gazului de apă este utilizată pentru a crește randamentul de hidrogen. Apoi CO rămas 2 este îndepărtat prin adsorbție prin variație de presiune sau prin separarea membranei ceramice, care lasă biohidrogen, care urmează să fie utilizat ca combustibil pentru automobile. Pentru a-l folosi în acest fel, trebuie comprimat sau lichefiat sau depozitat în hidruri metalice. Hidrogenul poate fi utilizat fie în motoarele cu ardere internă, fie în celulele de combustie. Deoarece vehiculele cu celule de combustie nu sunt încă disponibile comercial și o infrastructură de distribuție a hidrogenului nu poate fi realizată pe termen scurt, biohidrogenul este considerat o opțiune pe termen lung pentru sectorul transporturilor. Principalele provocări pentru dezvoltarea ulterioară a biohidrogenului sunt similare cu cele ale altor biocombustibili derivați din gazificare (cu excepția SNG).

Gazeificarea supercritică, o opțiune pentru producerea de SNG, este, de asemenea, o tehnologie utilă pentru producerea de biohidrogen. Cu toate acestea, în acest caz, reformarea cu abur este necesară pentru a transforma metanul format în hidrogen, ceea ce face procesul mai costisitor. O altă opțiune de a produce hidrogen din biomasă umedă, care este încă la scară de laborator, este o tehnologie numită fermentație întunecată și foto. Hidrogenul poate fi produs direct prin digestie anaerobă (biogaz). Fermentarea întunecată este un proces similar, totuși, este manipulat în așa fel încât produsul final dorit de hidrogen să fie produs direct fără formarea de metan, în timp ce hidrogenul este în mod normal un produs intermediar în digestia anaerobă. În timpul fermentației întunecate, pe lângă hidrogen, se produc acizi organici, care pot fi transformați în hidrogen printr-un proces numit fotofermentare.


Este hidrogenul gazos prezent în biogaz și se aprinde spontan? - Biologie

Fermentarea metanului este o biotehnologie versatilă capabilă să transforme aproape toate tipurile de materiale polimerice în metan și dioxid de carbon în condiții anaerobe. Acest lucru se realizează ca urmare a defalcării biochimice consecutive a polimerilor în metan și dioxid de carbon într-un mediu în care o varietate de microorganisme care includ microbi fermentativi (acidogeni) producători de hidrogen, microbi care formează acetat (acetogeni) și microbi producători de metan. (metanogene) cresc armonios și produc produse finite reduse. Anaerobii joacă un rol important în stabilirea unui mediu stabil în diferite etape ale fermentației metanului.

Fermentarea metanului oferă un mijloc eficient de reducere a poluării, superior celui realizat prin procesele aerobe convenționale. Deși practicat de zeci de ani, interesul pentru fermentația anaerobă s-a concentrat abia recent pe utilizarea acesteia în recuperarea economică a gazului combustibil din surplusurile industriale și agricole.

Biochimia și microbiologia defalcării anaerobe a materialelor polimerice în metan și rolurile diferitelor microorganisme implicate sunt discutate aici. Sunt trecute în revistă progresele recente în biologia moleculară a metanogenilor, sunt descrise noi digestoare și sunt, de asemenea, discutate îmbunătățiri în funcționarea diferitelor tipuri de bioreactoare.

Fermentarea metanului este consecința unei serii de interacțiuni metabolice între diferite grupuri de microorganisme. O descriere a microorganismelor implicate în fermentarea metanului, pe baza unei analize a bacteriilor izolate din digestoarele de nămol de epurare și din rumenul unor animale, este rezumată în Fig. 4-1. Primul grup de microorganisme secretă enzime care hidrolizează materialele polimerice în monomeri precum glucoză și aminoacizi, care sunt ulterior transformați în acizi grași mai volatili, H 2 și acid acetic (Fig. 4-1 etapa 1). În a doua etapă, bacteriile acetogene producătoare de hidrogen transformă acizii grași mai volatili, de exemplu, acizii propionic și butiric, produși, în H2, CO2 și acid acetic. În cele din urmă, al treilea grup, bacteriile metanogene transformă H2, CO2 şi acetat în CH4 şi CO2.

Materialele polimerice precum lipidele, proteinele și carbohidrații sunt hidrolizate în principal de hidrolaze extracelulare, excretate de microbii prezenți în stadiul 1 (Fig. 4-1). Enzimele hidrolitice, (lipaze, proteaze, celulaze, amilaze etc.) hidrolizează polimerii lor respectivi în molecule mai mici, în primul rând unități monomerice, care sunt apoi consumate de microbi. În fermentarea cu metan a apelor reziduale care conțin concentrații mari de polimeri organici, activitatea hidrolitică relevantă pentru fiecare polimer este de o importanță capitală, deoarece hidroliza polimerului poate deveni o etapă limitatoare a vitezei pentru producerea de substraturi bacteriene mai simple care să fie utilizate în etapele ulterioare de degradare. .

Lipazele transformă lipidele în acizi grași cu lanț lung. A fost raportată o densitate a populației de 10 4 - 10 5 bacterii lipolitice per ml de lichid digestor. Clostridiile și micrococii par a fi responsabili pentru majoritatea producătorilor extracelulari de lipază. Acizii grași cu lanț lung produși sunt degradați în continuare prin p-oxidare pentru a produce acetil CoA.

Proteinele sunt în general hidrolizate în aminoacizi de proteaze, secretate de Bacteroides, Butyrivibrio, Clostridium, Fusobacterium, Selenomonas și Streptococcus. Aminoacizii produși sunt apoi degradați în acizi grași cum ar fi acetat, propionat și butirat și la amoniac, așa cum se găsește în Clostridium, Peptococcus, Selenomonas, Campylobacter și Bacteroides.

Polizaharidele precum celuloza, amidonul și pectina sunt hidrolizate de celulaze, amilaze și pectinaze. Majoritatea celulazelor microbiene sunt compuse din trei specii: (a) endo-(3-l,4-glucanazele (b) exo-pl,4-glucanazele (c) celobiaza sau p-glucozidaza Aceste trei enzime acționează sinergic asupra celulozei hidrolizandu-i eficient structura cristalina, pentru a produce glucoza.Hidroliza microbiana a amidonului brut la glucoza necesita activitate amilolitica, care consta din 5 specii de amilaze: (a) a-amilaze care endocliveaza legaturile a ±1-4 (b) p-amilazele care exocleaza a legături ±1-4 (c) amiloglucozidaze care exoclează legăturile ±l-4 și a ±l-6 (d) enzime de deramificare care acționează asupra unei legături ±l-6 (e) maltaza care acționează asupra glucozei care eliberează maltoză Pectinele sunt degradate de pectine inclusiv pectinesteraze şi depolimeraze.Xilanii sunt degradaţi cu o ²-endo-xilanază şi o ²-xilozidază pentru a produce xiloză.

Hexozele și pentozele sunt în general convertite în intermediari C2 și C3 și în purtători de electroni redusi (de exemplu, NADH) prin căi comune. Majoritatea bacteriilor anaerobe suferă metabolismul hexozei prin calea Emden-Meyerhof-Parnas (EMP) care produce piruvat ca intermediar împreună cu NADH. Piruvatul și NADH astfel generate sunt transformate în endoproduse de fermentație, cum ar fi lactat, propionat, acetat și etanol prin alte activități enzimatice care variază enorm în funcție de speciile microbiene.

Astfel, în hidroliză și acidogeneză (Fig. 4-1 Etapa 1), zaharurile, aminoacizii și acizii grași produși prin degradarea microbiană a biopolimerilor sunt metabolizați succesiv prin endoproduși de fermentație precum lactat, propionat, acetat și etanol de către alți activități enzimatice care variază enorm în funcție de speciile microbiene.

Astfel, în hidroliză și acidogeneză (Fig. 4-1 Etapa 1), zaharurile, aminoacizii și acizii grași produși prin degradarea microbiană a biopolimerilor sunt metabolizați succesiv de grupuri de bacterii și sunt fermentați în primul rând în acetat, propionat, butirat, lactat, etanol, dioxid de carbon și hidrogen (2).

Deși o parte din acetat (20%) și H 2 (4%) sunt produse direct prin fermentația acidogenă a zaharurilor și a aminoacizilor, ambele produse sunt derivate în principal din acetogeneza și dehidrogenarea acizilor grași volatili mai mari (Fig. 4-1 Etapa 2). ).

Bacteriile acetogene producătoare de H2 obligatorii sunt capabile să producă acetat și H2 din acizi grași superiori. Doar Syntrophobacter wolinii, un descompunetor de propionat (3) și Sytrophomonos wolfei, un descompozitor de butirat (4) au fost izolate până acum din cauza dificultăților tehnice implicate în izolarea tulpinilor pure, deoarece H 2 produs inhibă sever creșterea acestor tulpini. Utilizarea tehnicilor de co-cultură care încorporează consumatori de H2, cum ar fi metanogene și bacterii reducătoare de sulfat, poate, prin urmare, să faciliteze elucidarea descompunerii biochimice a acizilor grași.

Reacțiile generale de defalcare pentru acizii grași cu lanț lung sunt prezentate în tabelele 4-1 și 4-2. Producția de H 2 de către acetogeni este în general nefavorabilă din punct de vedere energetic din cauza cerințelor ridicate de energie liberă ( a ”G o, > 0 Tabelul 4-1 și 4-2).Cu toate acestea, cu o combinație de bacterii consumatoare de H 2 (Tabelul 4-2, 4-3), sistemele de cocultură asigură condiții favorabile pentru descompunerea acizilor grași în acetat și CH 4 sau H 2 S ( a ”G o , < 0). Pe lângă descompunerea acizilor grași cu lanț lung, etanolul și lactatul sunt, de asemenea, transformate în acetat și H2 de către un acetogen și, respectiv, Clostridium formicoaceticum.

Efectul presiunii parțiale a H2 asupra energiei libere asociate cu conversia etanolului, propionatului, acetatului și H2/CO2 în timpul fermentației metanului este prezentat în Fig. 4-2. O presiune parţială extrem de scăzută a H2 (10-5 atm) pare a fi un factor semnificativ în degradarea propionatului la CH4. O astfel de presiune parțială scăzută poate fi obținută într-o co-cultură cu bacterii consumatoare de H2 așa cum s-a descris anterior (Tabelul 4-2, 4-3).

Metanogenii sunt uniți fiziologic ca producători de metan în digestia anaerobă (Fig. 4-1 Etapa 3). Deși acetatul și H2/CO2 sunt principalele substraturi disponibile în mediul natural, formiatul, metanolul, metilaminele și CO sunt, de asemenea, transformate în CH4 (Tabelul 4-3).

Tabelul 4-1 Reacții propuse implicate în catabolismul acizilor grași de către Syntrophomonas wolfei

+ 2H2O2CH3COO- + 2H2 + H+

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4H2O3CH3COO- + 4H2 + 2H+

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 6H2O4CH3COO- + 6H2 + 3H+

+1 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + CH 3 COO - +2 H 2 + H +

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 COO -

+ 4 H 2 O CH 3 CH 2 COO - + 2 CH 3 COO - +4 H 2 + 2H +

CH 3 CHCH 2 CH 2 CH 2 COO -
|
CH 3

+ 2 H 2 O CH 3 CHCH 2 COO - + CH 3 COO - + 2H 2 + H +
|
CH 3

Tabelul 4-2 Modificări ale energiei libere pentru reacțiile care implică oxidarea anaerobă în culturi pure sau în co-culturi cu H2 -Utilizarea metanogene sau Desulfovibrio spp.

1. Bacteriile acetogene reducătoare de protoni (producători de H 2).

A. CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + 2H 2 + H +

B. CH 3 CH 2 COO - + 3H 2 O CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2

2. H 2 -folosind metanogene şi desulfovibrios

C. 4H2 + HCO3- + H + CH4 + 3H2O

D. 4H 2 + S0 4 2- + H + HS - + 4 H 2 O

A + C 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + HCO 3 - + H 2 O 4 CH 3 COO - + H + + CH 4

A + D 2 CH 3 CH 2 CH 2 COO - + S0 4 2- 4 CH 3 COO - + H + + HS -

B + C 4 CH 3 CH 2 COO - + 12H 2 4 CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3 CH 4

B + D 4 CH 3 CH 2 COO - + 3 S0 4 2 " 4 CH 3 COO - + 4 HCO 3 - + H + + 3 HS -

Tabelul 4-3 Reacții de producere a energiei ale metanogenilor

C02 + 4H2 & reg CH4 + 2H2O

HCO3-+4H2+H+® CH4+3H2O

CH 3 COO - + H 2 O & reg CH 4 + HCO 3 -

HCOO - + H + & reg 0,25 CH4 + 0,75 CO2 + 0,5 H2O

CO + 0,5 H 2 O & reg 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2

CH3OH & reg 0,75 CH4 + 0,25 CO2 + 0,5 H2O

CH 3 NH 3 + + 0,5 H 2 O & reg 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NH 2 + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 4 +

(CH 3 ) 2 NCH 2 CH 3 H + + H 2 O & reg 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + + H 3 NCH 2 CH 3

(CH3)3NH+ 1,5H2O & reg 2,25 CH4 + 0,75 CO2 + NH4 +

Deoarece metanogene, ca anaerobi obligați, necesită un potențial redox de mai puțin de -300 mV pentru creștere, izolarea și cultivarea lor a fost oarecum evazivă din cauza dificultăților tehnice întâmpinate în manipularea lor în condiții complet lipsite de O2. Cu toate acestea, ca urmare a tehnicilor de izolare a metanogenului mult îmbunătățite dezvoltate de Hungate (6), au fost izolate acum peste 40 de tulpini de metanogeni puri. Metanogenii pot fi împărțiți în două grupe: H 2 /CO 2 - și consumatori de acetat. Deși unii dintre consumatorii de H2/CO2 sunt capabili să utilizeze formiat, acetatul este consumat de un număr limitat de tulpini, cum ar fi Methanosarcina spp. și Methanothrix spp. (acum, Methanosaeta), care sunt incapabili să folosească formatul. Deoarece în mediul natural se produce o cantitate mare de acetat (Fig. 4-1), Methanosarcina și Methanothrix joacă un rol important în finalizarea digestiei anaerobe și în acumularea de H 2 , care inhibă acetogenii și metanogenii. Metanogenii care consumă H 2 sunt de asemenea importanți în menținerea nivelurilor scăzute de H 2 atmosferic.

Metanogenii care consumă H2/CO2 reduc CO2 ca acceptor de electroni prin intermediul nivelurilor de formil, metinil și metil prin asocierea cu coenzime neobișnuite, pentru a produce în final CH4 (7) (Fig. 4-3). Reacția globală acetoclastică poate fi exprimată astfel:

Deoarece o mică parte din CO2 se formează și din carbon derivat din gruparea metil, se suspectează că potențialul redus produs din gruparea metil poate reduce CO2 la CH4 (8).

Pe baza analizei secvenței omoloage a ARNr-ului 16S, metanogenii au fost clasificați într-unul dintre cele trei regnuri primare ale organismelor vii: Archaea (Archaebacteria). Archaea include, de asemenea, grupuri majore de organisme, cum ar fi termofilele și halofilele. Deși Archaea posedă o structură și o organizare a celulelor procariote, ele au o trăsătură comună cu eucariotele: secvențe omoloage în ARNr și ARNt, prezența inn-onilor în genomul lor, organizarea similară a subunității ARN polimerazei, omologii imunologice și sisteme de translație.

Tehnologia ADN-ului recombinant este una dintre cele mai puternice tehnici de caracterizare a reglării biochimice și genetice a metanogenezei. Acest lucru necesită selecția markerilor genetici, un sistem eficient de transformare genetică și un sistem vectorial pentru recombinarea genetică ca premise.

Tulpinile marcate genetic sunt premise pentru studiile genetice: aceste tulpini pot fi folosite pentru a dezvolta un sistem de schimb genetic în metanogene bazat pe un sistem eficient de selecție. Deoarece creșterea M. thermoautotrophicum este inhibată de fluorouracil, tulpinile rezistente la analogi au fost izolate prin mutație spontană. Alți mutanți rezistenți la DL-etionină sau 2-brometan sulfonat (analog al coenzimei M), pe lângă mutanții autotrofe, au fost obținuți prin tratament mutagen. Mai multe tulpini autotrofe au fost, de asemenea, obținute pentru metanogenul acetoclastic, M. voltae. Aceste tulpini mutante sunt enumerate în Tabelul 4-4.

Deși unele gene de metanogen, cum ar fi genele de biosinteză a aminoacizilor și purinei, genele mașinilor de transcripție și translație și genele proteinelor structurale, au fost donate, genele care codifică enzimele implicate în metanogeneză au fost alese aici ca „gene metanului”.

Metil CoM reductază (MR Fig. 4-3) constituie aproximativ 10% din proteina totală în culturile metanogene. Importanța și abundența MR au concentrat inevitabil atenția inițială pe elucidarea structurii sale și a mecanismelor care direcționează sinteza și reglarea acesteia. Genele care codifică MR au fost donate și secvențiate din Methanococcus vanielli, M. voltae, Methanosarcina barkeri, Methanobacterium thermoautotrophicum și M. fervidus.

Formilmetanofuran transferaza (FTR) catalizează transferul unei grupări formil de la formilmetanofuran (MFR) la tetrahidrometanopterină (H4MPT) (Fig. 4-3, 4-2). Gena care codifică FTR de la M. thermoautotrophicum a fost donată, secvențiată și exprimată funcțional în E. coli. Formiat dehidrogenaza (FDH) poate reprezenta uneori 2 până la 3% din totalul proteinelor solubile în culturile metanogene. Cele două gene care codifică subunităţile a ± şi a ² ale FDH au fost donate şi secvenţiate din M formicicum. În plus, genele care codifică hidrogenaza reducătoare de F 420 (Fig. 4-3), ferredoxină și ATPaza au fost de asemenea donate.

Tabelul 4-4 Mutanți auxotrofici și rezistenți la medicamente aplicabili experimentelor de transfer de gene


Cuprins

Motoarele HCCI au o istorie lungă, chiar dacă HCCI nu a fost la fel de implementat ca aprinderea prin scânteie sau injecția diesel. Este în esență un ciclu de ardere Otto. HCCI era popular înainte ca aprinderea electronică să fie folosită. Un exemplu este motorul cu bec fierbinte care a folosit o cameră de vaporizare fierbinte pentru a ajuta la amestecarea combustibilului cu aerul. Căldura suplimentară combinată cu compresia a indus condițiile de ardere. Un alt exemplu este motorul de aeromodel „diesel”.

Editare metode

Un amestec de combustibil și aer se aprinde atunci când concentrația și temperatura reactanților este suficient de ridicată. Concentrația și/sau temperatura pot fi crescute în mai multe moduri diferite:

  • Creșterea raportului de compresie
  • Preîncălzirea gazelor de inducție
  • Inducția forțată
  • Gaze de eșapament reținute sau reinduse

Odată aprinsă, arderea are loc foarte repede. Când autoaprinderea are loc prea devreme sau cu prea multă energie chimică, arderea este prea rapidă și presiunile mari în cilindru pot distruge un motor. Din acest motiv, HCCI funcționează în mod obișnuit cu amestecuri de combustibil sărace.

Avantaje Edit

  • Deoarece motoarele HCCI sunt slabe din punct de vedere al combustibilului, ele pot funcționa la rapoarte de compresie asemănătoare motorinei (>15), atingând astfel eficiențe cu 30% mai mari decât motoarele convenționale pe benzină SI. [2]
  • Amestecarea omogenă a combustibilului și aerului duce la o ardere mai curată și la emisii mai mici. Deoarece temperaturile de vârf sunt semnificativ mai scăzute decât în ​​motoarele SI tipice, nivelurile de NOx sunt aproape neglijabile. În plus, tehnica nu produce funingine. [3]
  • Motoarele HCCI pot funcționa cu benzină, motorină și majoritatea combustibililor alternativi. [4]
  • HCCI evită pierderile de accelerație, ceea ce îmbunătățește și mai mult eficiența. [5]

Dezavantaje Edit

  • Obținerea capacității de pornire la rece.
  • Ratele mari de eliberare a căldurii și creșterea presiunii contribuie la uzura motorului.
  • Autoaprinderea este greu de controlat, spre deosebire de evenimentul de aprindere din motoarele SI și diesel, care sunt controlate de bujii și, respectiv, injectoare de combustibil în cilindru. [6]
  • Motoarele HCCI au un interval mic de cuplu, limitat la sarcini mici de limitele slabe de inflamabilitate și sarcini mari de restricțiile de presiune în cilindru. [7] Emisiile de precatalizator (CO) și hidrocarburi (HC) sunt mai mari decât un motor obișnuit cu aprindere prin scânteie, cauzate de oxidarea incompletă (datorită evenimentului de ardere rapidă și a temperaturilor scăzute în cilindru) și, respectiv, de gazele captate. [8]

Control Edit

HCCI este mai greu de controlat decât alte motoare cu ardere, cum ar fi SI și diesel. Într-un motor obișnuit pe benzină, o scânteie este folosită pentru a aprinde combustibilul și aerul preamestec. La motoarele diesel, arderea începe atunci când combustibilul este injectat în aer precomprimat. În ambele cazuri, timpul de ardere este controlat în mod explicit. Într-un motor HCCI, totuși, amestecul omogen de combustibil și aer este comprimat și arderea începe ori de câte ori se atinge o presiune și o temperatură suficiente. Aceasta înseamnă că niciun inițiator de ardere bine definit nu oferă control direct. Motoarele trebuie proiectate astfel încât condițiile de aprindere să apară la momentul dorit. Pentru a realiza o funcționare dinamică, sistemul de control trebuie să gestioneze condițiile care induc arderea. Opțiunile includ raportul de compresie, temperatura gazului indus, presiunea gazului indus, raportul combustibil-aer sau cantitatea de evacuare reținută sau reindusă. Mai jos sunt discutate mai multe abordări de control.

Raport de compresie Editare

Două rapoarte de compresie sunt semnificative. The raportul de compresie geometric poate fi schimbat cu un piston mobil din partea superioară a chiulasei. Acest sistem este utilizat la motoarele de aeronave diesel. The raportul efectiv de compresie poate fi redus din raportul geometric prin închiderea supapei de admisie, fie foarte târziu, fie foarte devreme, cu acționarea variabilă a supapei (sincronizare variabilă a supapei care permite ciclul Miller). Ambele abordări necesită energie pentru a obține un răspuns rapid. În plus, implementarea este costisitoare, dar este eficientă. [9] Efectul raportului de compresie asupra arderii HCCI a fost de asemenea studiat pe larg. [10]

Temperatura de inducție Edit

Evenimentul de autoaprindere al HCCI este foarte sensibil la temperatură. Cea mai simplă metodă de control al temperaturii folosește încălzitoare cu rezistență pentru a varia temperatura de intrare, dar această abordare este prea lentă pentru a se modifica pe o frecvență de la un ciclu la altul. [11] O altă tehnică este management termic rapid (FTM). Se realizează prin variarea temperaturii încărcăturii de admisie prin amestecarea fluxurilor de aer cald și rece. Este suficient de rapid pentru a permite controlul ciclu-la-ciclu. [12] Este, de asemenea, costisitor de implementat și are o lățime de bandă limitată asociată cu energia actuatorului.

Procentul gazelor de eșapament Edit

Gazele de eșapament sunt foarte fierbinți dacă sunt reținute sau reinduse din ciclul de ardere anterior sau se răcesc dacă sunt recirculate prin admisie, ca în sistemele EGR convenționale. Evacuarea are efecte duble asupra arderii HCCI. Diluează încărcătura proaspătă, întârziind aprinderea și reducând energia chimică și puterea motorului. Produsele fierbinți de ardere cresc, invers, temperatura gazului în cilindru și avansează aprinderea. Controlul sincronizarii arderii motoarele HCCI folosind EGR a fost demonstrat experimental. [13]

Acţionarea supapei Edit

Acționare variabilă a supapei (VVA) extinde regiunea de operare HCCI oferind un control mai fin asupra anvelopei temperatură-presiune-timp din camera de ardere. VVA poate realiza acest lucru prin:

  • Controlul raportului efectiv de compresie: VVA la admisie poate controla punctul în care se închide supapa de admisie. Întârzierea dincolo de punctul mort inferior (BDC), modifică raportul de compresie, modificând anvelopa presiune-timp în cilindru.
  • Controlul cantității de gaze de evacuare fierbinți reținute în camera de ardere: VVA poate controla cantitatea de EGR fierbinte din camera de ardere, fie prin redeschiderea supapei, fie prin modificarea suprapunerii supapelor. Echilibrarea procentului de EGR extern răcit cu EGR intern fierbinte generat de un sistem VVA, face posibilă controlul temperaturii în cilindru.

În timp ce sistemele VVA electro-hidraulice și fără camă oferă control asupra evenimentului supapei, componentele pentru astfel de sisteme sunt în prezent complicate și costisitoare. Cu toate acestea, sistemele mecanice variabile de ridicare și durată, deși mai complexe decât un tren de supape standard, sunt mai ieftine și mai puțin complicate. Este relativ simplu să configurați astfel de sisteme pentru a obține controlul necesar asupra curbei de ridicare a supapei.

Amestecul de combustibil Edit

Un alt mijloc de extindere a domeniului de funcționare este controlul declanșării aprinderii și a vitezei de eliberare a căldurii [14] [15] prin manipularea combustibilului în sine. Acest lucru se realizează de obicei prin amestecarea mai multor combustibili „din mers” pentru același motor. [16] Exemplele includ amestecul de benzină comercială și motorină, [17] adoptarea de gaze naturale [18] sau etanol. [19] Acest lucru poate fi realizat în mai multe moduri:

  • Amestecare în amonte: Combustibilii sunt amestecați în fază lichidă, unul cu rezistență scăzută la aprindere (cum ar fi motorina) și al doilea cu rezistență mai mare (benzină). Timpul de aprindere variază în funcție de raportul dintre acești combustibili.
  • Amestecare în cameră: Un combustibil poate fi injectat în conducta de admisie (injecție prin port) și celălalt direct în cilindru.

Injecție directă: PCCI sau PPCI Combustion Edit

Combustia cu injecție directă cu aprindere prin compresie (CIDI) este un mijloc bine stabilit de control al timpului de aprindere și al ratei de eliberare a căldurii și este adoptat în arderea motorului diesel. Aprinderea cu comprimare a încărcăturii parțial amestecate (PPCI), cunoscută și sub denumirea de aprindere cu comprimare a încărcăturii premixate (PCCI) este un compromis care oferă controlul arderii CIDI cu emisii reduse de gaze de eșapament de HCCI, în special funingine mai scăzută. [20] Viteza de eliberare a căldurii este controlată prin prepararea amestecului combustibil în așa fel încât arderea să aibă loc pe o durată mai lungă de timp, făcându-l mai puțin predispus la detonare. Acest lucru se realizează prin cronometrarea evenimentului de injecție astfel încât o gamă de rapoarte aer/combustibil să se răspândească pe cilindrul de ardere atunci când începe aprinderea. Aprinderea are loc în diferite regiuni ale camerei de ardere în momente diferite - încetinind viteza de eliberare a căldurii. Acest amestec este conceput pentru a minimiza numărul de pungi bogate în combustibil, reducând formarea de funingine. [21] Adoptarea EGR ridicată și a combustibililor diesel cu o rezistență mai mare la aprindere (mai mult „asemănător cu benzina”) permite timpi mai lungi de amestecare înainte de aprindere și, prin urmare, mai puține buzunare bogate care produc funingine și NO.
X [20] [21]

Presiunea de vârf și rata de eliberare a căldurii Edit

Într-un ICE tipic, arderea are loc prin intermediul unei flăcări. Prin urmare, în orice moment, doar o fracțiune din combustibilul total arde. Acest lucru are ca rezultat presiuni de vârf scăzute și rate scăzute de eliberare a energiei. Cu toate acestea, în HCCI, întregul amestec combustibil/aer se aprinde și arde într-un interval de timp mult mai mic, rezultând presiuni de vârf ridicate și rate mari de eliberare a energiei. Pentru a rezista la presiuni mai mari, motorul trebuie să fie structural mai puternic. Au fost propuse mai multe strategii pentru a reduce viteza de ardere și presiunea de vârf. Amestecarea combustibililor, cu proprietăți diferite de autoaprindere, poate reduce viteza de ardere. [22] Cu toate acestea, acest lucru necesită o infrastructură semnificativă de implementat. O altă abordare utilizează diluarea (adică cu gazele de eșapament) pentru a reduce presiunea și ratele de ardere (și puterea). [23]

În camera de ardere divizata abordare [1], există două camere de ardere care cooperează: o mică auxiliară și una mare principală.
Un raport de compresie ridicat este utilizat în camera de ardere auxiliară.
Un raport de compresie moderat este utilizat în camera de ardere principală în care un amestec omogen aer-combustibil este comprimat/încălzit aproape, dar sub pragul de auto-aprindere.
Raportul ridicat de compresie din camera de ardere auxiliară determină autoaprinderea amestecului omogen sărac aer-combustibil din acesta (nu este nevoie de bujie), gazul ars explodează - prin niște "porturi de transfer", chiar înainte de PMS - în arderea principală. camera declanșându-și autoaprinderea.
Motorul nu trebuie să fie structural mai puternic.

Power Edit

În ICE, puterea poate fi mărită prin introducerea mai multor combustibil în camera de ardere. Aceste motoare pot rezista la o creștere a puterii, deoarece rata de eliberare a căldurii în aceste motoare este lentă. Cu toate acestea, la motoarele HCCI creșterea raportului combustibil/aer are ca rezultat presiuni de vârf și rate de eliberare a căldurii mai mari. În plus, multe strategii viabile de control HCCI necesită preîncălzirea termică a combustibilului, ceea ce reduce densitatea și, prin urmare, masa încărcăturii de aer/combustibil din camera de ardere, reducând puterea. Acești factori fac ca creșterea puterii în motoarele HCCI să fie o provocare.

O tehnică este utilizarea combustibililor cu proprietăți diferite de autoaprindere. Acest lucru scade rata de eliberare a căldurii și presiunile de vârf și face posibilă creșterea raportului de echivalență. O altă modalitate este stratificarea termică a încărcăturii, astfel încât diferite puncte din sarcina comprimată să aibă temperaturi diferite și să ardă în momente diferite, scăzând rata de eliberare a căldurii și făcând posibilă creșterea puterii. [24] O a treia modalitate este de a rula motorul în modul HCCI numai în condiții de sarcină parțială și de a-l utiliza ca motor diesel sau SI în condiții de sarcină mai mare. [25]

Editarea emisiilor

Deoarece HCCI funcționează pe amestecuri slabe, temperatura de vârf este mult mai mică decât cea întâlnită la motoarele SI și diesel. Această temperatură de vârf scăzută reduce formarea de NO
X , dar duce și la arderea incompletă a combustibilului, în special în apropierea pereților camerei de ardere. Aceasta produce emisii relativ mari de monoxid de carbon și hidrocarburi. Un catalizator oxidant poate elimina speciile reglementate, deoarece evacuarea este încă bogată în oxigen.

Diferența față de ciocănire Editare

Ciocnirea sau ping-ul motorului apare atunci când unele dintre gazele nearse dinaintea flăcării într-un motor SI se aprind spontan. Acest gaz este comprimat pe măsură ce flacăra se propagă și presiunea din camera de ardere crește. Presiunea ridicată și temperatura ridicată corespunzătoare a reactanților nearși le pot face să se aprindă spontan. Aceasta face ca o undă de șoc să traverseze din regiunea de gaz de capăt și o undă de expansiune să traverseze în regiunea de gaz de la capăt. Cele două valuri se reflectă de la limitele camerei de ardere și interacționează pentru a produce unde staționare de amplitudine mare, formând astfel un dispozitiv termoacustic primitiv în care rezonanța este amplificată de eliberarea crescută de căldură în timpul călătoriei undei similar cu un tub Rijke.

Un proces similar de aprindere are loc în HCCI. Cu toate acestea, mai degrabă decât o parte a amestecului de reactanți care se aprinde prin compresie înaintea unui front de flăcări, aprinderea în motoarele HCCI are loc datorită comprimării pistonului mai mult sau mai puțin simultan în cea mai mare parte a încărcăturii comprimate. Apar diferențe mici sau deloc de presiune între diferitele regiuni ale gazului, eliminând orice undă de șoc și ciocănire, dar creșterea rapidă a presiunii este încă prezentă și de dorit din punctul de vedere al eficienței maxime de la adăugarea de căldură izocoră aproape ideală.

Simularea motoarelor HCCI Edit

Modelele de calcul pentru simularea ratelor de ardere și eliberare de căldură ale motoarelor HCCI necesită modele chimice detaliate. [17] [26] Acest lucru se datorează în mare parte faptului că aprinderea este mai sensibilă la cinetica chimică decât la procesele de turbulență/pulverizare sau scântei, așa cum sunt tipice în motoarele SI și diesel. Modelele de calcul au demonstrat importanța luării în considerare a faptului că amestecul din cilindru este de fapt neomogen, în special în ceea ce privește temperatura. Această neomogenitate este determinată de amestecarea turbulentă și transferul de căldură din pereții camerei de ardere. Cantitatea de stratificare a temperaturii dictează viteza de degajare a căldurii și, prin urmare, tendința de a lovi. [27] Acest lucru limitează utilitatea luării în considerare a amestecului în cilindru ca o singură zonă, rezultând integrarea codurilor computaționale de dinamică a fluidelor 3D, cum ar fi codul KIVA CFD al Laboratorului Național Los Alamos și rezolvarea mai rapidă a codurilor de modelare a funcției densității de probabilitate. [28] [29]

Începând cu 2017, nu au fost produse motoare HCCI la scară comercială. Cu toate acestea, mai mulți producători de automobile aveau prototipuri HCCI funcționale.

  • Motocicleta Honda EXP-2 din 1994 folosea „ARC-combustion”. Acesta avea un motor în doi timpi care folosește o supapă de evacuare pentru a imita un mod HCCI. Honda a vândut un CRM 250 AR.
  • În 2007–2009, General Motors a demonstrat HCCI cu un motor Ecotec modificat de 2,2 L instalat în Opel Vectra și Saturn Aura. [30] Motorul funcționează în modul HCCI la viteze mai mici de 60 mile pe oră (97 km/h) sau în timpul croazierei, trecând la SI convențional când clapeta de accelerație este deschisă și produce o economie de combustibil de 43 mile per galon imperial (6,6 L/100). km 36 mpg-S.U.A) și emisii de dioxid de carbon de aproximativ 150 de grame pe kilometru, îmbunătățindu-se față de cele 37 de mile per galon imperial (7,6 L/100 km 31 mpg).-S.U.A) și 180 g/km a versiunii convenționale de 2,2 L cu injecție directă. [31] GM cercetează, de asemenea, motoare mai mici din familia 0 pentru aplicații HCCI. GM a folosit KIVA în dezvoltarea motoarelor pe benzină cu injecție directă, cu încărcare stratificată, precum și a motorului pe benzină cu ardere rapidă, cu încărcare omogenă. [29] a dezvoltat un prototip de motor numit DiesOtto, cu aprindere automată controlată. A fost prezentată în conceptul său F 700 la Salonul Auto de la Frankfurt din 2007. [32] dezvoltă două tipuri de motoare pentru funcționarea HCCI. Primul, numit Combined Combustion System sau CCS, se bazează pe motorul diesel de 2,0 litri VW Group, dar folosește o admisie omogenă. Este nevoie de combustibil sintetic pentru a obține beneficii maxime. Cel de-al doilea se numește Aprindere prin compresie pe benzină sau GCI, acesta folosește HCCI la croazieră și aprinderea prin scânteie atunci când accelerează. Ambele motoare au fost demonstrate pe prototipuri Touran. [33]
  • În noiembrie 2011, Hyundai a anunțat dezvoltarea motorului GDCI (Gasoline Direct Injection Compression Ignition) în asociere cu Delphi Automotive. [34] Motorul a eliminat complet bujiile de aprindere și, în schimb, folosește atât compresorul, cât și turbocompresorul pentru a menține presiunea în interiorul cilindrului. Motorul este programat pentru producție comercială în viitorul apropiat. [35]
  • În octombrie 2005, Wall Street Journal a raportat că Honda dezvolta un motor HCCI ca parte a unui efort de a produce o mașină hibridă de următoarea generație. [36]
  • Oxy-Gen Combustion, o companie de tehnologie curată cu sediul în Marea Britanie, a produs un motor concept HCCI cu sarcină completă cu ajutorul Michelin și Shell. [37]
  • SkyActiv-G Generation 2 de la Mazda are un raport de compresie de 18:1 pentru a permite utilizarea arderii HCCI. [38] Un model de motor numit SKYACTIV-X a fost anunțat de Mazda în august 2017 ca un descoperire majoră în tehnologia motoarelor. [39]
  • Mazda efectuează cercetări cu HCCI cu motoare Wankel. [40]

Până în prezent, puține motoare prototip funcționează în modul HCCI, dar cercetarea HCCI a dus la progrese în dezvoltarea combustibilului și a motoarelor. Exemplele includ:


Temperatură de autoaprindere

Temperatura de autoaprindere (AIT) a materialului periculos dintr-o instalație trebuie să fie cunoscută pentru a-și completa EAC. NFPA 497 oferă valori AIT pentru diferite substanțe combustibile.

O clasificare tipică a zonei pentru gazul propan ar fi: Clasa I, Divizia 2, Grupa D, 450C AIT. Aici:

  • Clasa I indică prezența vaporilor.
  • Diviziunea 2 indică faptul că vaporii sunt prezenți numai în condiții anormale.
  • Grupul D indică faptul că propanul este membru al acestui grup.
  • 450C este temperatura de autoaprindere a propanului.

Odată ce o zonă a fost clasificată, NEC furnizează cerințe foarte specifice și stricte cu privire la echipamentul electric și cablurile asociate care pot fi instalate în acea zonă. Cerințele sunt menite să împiedice echipamentele electrice să fie sursa de aprindere pentru un amestec inflamabil. În consecință, instalația în sine trebuie să fie rezistentă la explozie.

Evident, EAC-ul unei instalații trebuie cunoscut înainte ca orice echipament electric să poată fi specificat, proiectat sau instalat. La multe proiecte de energie CTG, echipamentele mecanice speciale cu timpi mari de livrare (motoare și sisteme și componente de instrumente și control, de exemplu) trebuie specificate și comandate din timp. Eșecul de a determina EAC pentru instalație și astfel de echipamente în timp util poate duce la instalații nesigure, reprelucrare, confuzie, întârzieri și depășiri ale costurilor.


Cuprins

Primele referiri la pile de combustibil cu hidrogen au apărut în 1838. Într-o scrisoare din octombrie 1838, dar publicată în ediția din decembrie 1838 a The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, fizicianul și avocatul galez Sir William Grove a scris despre dezvoltarea primelor sale celule de combustibil brut. El a folosit o combinație de plăci de tablă, cupru și porțelan și o soluție de sulfat de cupru și acid diluat. [6] [7] Într-o scrisoare către aceeași publicație scrisă în decembrie 1838, dar publicată în iunie 1839, fizicianul german Christian Friedrich Schönbein a discutat despre prima celulă de combustibil brut pe care a inventat-o. Scrisoarea sa a discutat despre curentul generat din hidrogen și oxigen dizolvat în apă. [8] Mai târziu, Grove și-a schițat designul, în 1842, în același jurnal. Pila de combustie pe care a făcut-o a folosit materiale similare cu cea de azi cu acid fosforic. [9] [10]

Britanicii care au susținut aterizările pe Lună, Arhivele BBC. [11]

În 1932, inginerul englez Francis Thomas Bacon a dezvoltat cu succes o pilă de combustibil staționară de 5 kW. [11] Pila de combustibil alcalină (AFC), cunoscută și sub numele de celula de combustibil Bacon după inventatorul său, este una dintre cele mai dezvoltate tehnologii de celule de combustibil, pe care NASA le-a folosit de la mijlocul anilor 1960. [11] [12]

În 1955, W. Thomas Grubb, un chimist care lucrează pentru General Electric Company (GE), a modificat în continuare designul original al celulei de combustie folosind ca electrolit o membrană schimbătoare de ioni din polistiren sulfonat. Trei ani mai târziu, un alt chimist GE, Leonard Niedrach, a conceput o modalitate de depunere a platinei pe membrană, care a servit drept catalizator pentru reacțiile necesare de oxidare a hidrogenului și de reducere a oxigenului. Aceasta a devenit cunoscută drept „celula de combustibil Grubb-Niedrach”. [13] [14] GE a continuat să dezvolte această tehnologie cu NASA și McDonnell Aircraft, ceea ce a condus la utilizarea acesteia în timpul Proiectului Gemini. Aceasta a fost prima utilizare comercială a unei celule de combustibil. În 1959, o echipă condusă de Harry Ihrig a construit un tractor cu celule de combustie de 15 kW pentru Allis-Chalmers, care a fost demonstrat în toată SUA la târgurile de stat. Acest sistem a folosit hidroxid de potasiu ca electrolit și a comprimat hidrogen și oxigen ca reactanți. Mai târziu, în 1959, Bacon și colegii săi au demonstrat o unitate practică de cinci kilowați capabilă să alimenteze o mașină de sudură. În anii 1960, Pratt & Whitney au licențiat brevetele americane ale lui Bacon pentru a fi utilizate în programul spațial al SUA pentru a furniza energie electrică și apă potabilă (hidrogenul și oxigenul fiind ușor disponibile din tancurile navelor spațiale). În 1991, primul automobil cu pile de combustibil pe hidrogen a fost dezvoltat de Roger Billings. [15] [16]

UTC Power a fost prima companie care a fabricat și a comercializat un sistem mare, staționar de celule de combustibil, pentru a fi utilizat ca centrală de cogenerare în spitale, universități și clădiri mari de birouri. [17]

Ca recunoaștere a industriei pilelor de combustie și a rolului Americii în dezvoltarea celulelor de combustie, Senatul SUA a recunoscut 8 octombrie 2015 drept Ziua Națională a Hidrogenului și a Pilei de Combustie, trecând S. RES 217. Data a fost aleasă ca recunoaștere a greutății atomice a hidrogenului (1.008). ). [18]

Pilele de combustie sunt disponibile în multe varietăți, totuși, toate funcționează în același mod general. Ele sunt formate din trei segmente adiacente: anodul, electrolitul și catodul. Două reacții chimice au loc la interfețele celor trei segmente diferite. Rezultatul net al celor două reacții este că se consumă combustibil, se creează apă sau dioxid de carbon și se creează un curent electric, care poate fi folosit pentru alimentarea dispozitivelor electrice, denumite în mod normal sarcină.

La anod, un catalizator oxidează combustibilul, de obicei hidrogen, transformând combustibilul într-un ion încărcat pozitiv și un electron încărcat negativ. Electrolitul este o substanță special concepută astfel încât ionii să poată trece prin el, dar electronii nu pot. Electronii eliberați călătoresc printr-un fir creând curent electric. Ionii călătoresc prin electrolit până la catod. Odată ajunși la catod, ionii sunt reuniți cu electronii și cei doi reacționează cu o a treia substanță chimică, de obicei oxigen, pentru a crea apă sau dioxid de carbon.

Caracteristicile de design ale unei celule de combustibil includ:

  • Substanța electrolitică, care definește de obicei tip de pile de combustibil și poate fi făcut dintr-un număr de substanțe precum hidroxid de potasiu, carbonați de sare și acid fosforic. [19]
  • Combustibilul care este folosit. Cel mai comun combustibil este hidrogenul.
  • Catalizatorul anodic, de obicei pulbere fină de platină, descompune combustibilul în electroni și ioni.
  • Catalizatorul catodic, adesea nichel, transformă ionii în substanțe chimice reziduale, apa fiind cel mai comun tip de deșeu. [20]
  • Straturi de difuzie a gazelor concepute pentru a rezista la oxidare. [20]

O celulă de combustibil tipică produce o tensiune de la 0,6 la 0,7 V la sarcina nominală maximă. Tensiunea scade pe măsură ce curentul crește, datorită mai multor factori:

Pentru a furniza cantitatea dorită de energie, celulele de combustibil pot fi combinate în serie pentru a produce o tensiune mai mare și în paralel pentru a permite furnizarea unui curent mai mare. Un astfel de design se numește a stiva de celule de combustibil. Suprafața celulei poate fi, de asemenea, mărită, pentru a permite un curent mai mare din fiecare celulă.

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) Edit

În designul arhetipic al celulei de combustibil cu membrană de schimb de protoni cu hidrogen-oxid, o membrană polimerică conducătoare de protoni (de obicei nafion) conține soluția de electrolit care separă părțile anodului și catodului. [25] [26] Aceasta a fost numită a celulă de combustie cu electrolit polimer solid (SPEFC) la începutul anilor 1970, înainte ca mecanismul de schimb de protoni să fie bine înțeles. (Rețineți că sinonimele membrana electrolit polimeric și 'mecanism de schimb de protoni rezultă același acronim.)

Pe partea anodului, hidrogenul difuzează către catalizatorul anod, unde mai târziu se disociază în protoni și electroni. Acești protoni reacționează adesea cu oxidanții, făcându-i să devină ceea ce sunt denumite în mod obișnuit membrane de protoni multi-facilitate. Protonii sunt conduși prin membrană către catod, dar electronii sunt forțați să călătorească într-un circuit extern (furnizează energie) deoarece membrana este izolatoare electric. Pe catalizatorul catod, moleculele de oxigen reacţionează cu electronii (care au călătorit prin circuitul extern) şi cu protonii pentru a forma apă.

Pe lângă acest tip de hidrogen pur, există combustibili cu hidrocarburi pentru celulele de combustie, inclusiv motorină, metanol (vedea: pile de combustibil cu metanol direct și pile de combustibil cu metanol indirect) și hidruri chimice. Deșeurile cu aceste tipuri de combustibil sunt dioxidul de carbon și apa. Când se utilizează hidrogen, CO2 este eliberat atunci când metanul din gazul natural este combinat cu aburul, într-un proces numit reformarea metanului cu abur, pentru a produce hidrogen. Acest lucru poate avea loc într-o locație diferită de celula de combustie, permițând posibil ca celula de combustibil cu hidrogen să fie utilizată în interior, de exemplu, în stivuitoare.

Diferitele componente ale unui PEMFC sunt

  1. plăci bipolare, , ,
  2. membrana, si
  3. hardware-ul necesar, cum ar fi colectoare de curent și garnituri. [27]

Materialele utilizate pentru diferite părți ale celulelor de combustie diferă în funcție de tip. Plăcile bipolare pot fi realizate din diferite tipuri de materiale, cum ar fi metal, metal acoperit, grafit, grafit flexibil, compozit C-C, compozite carbon-polimer etc. [28] Ansamblul electrod cu membrană (MEA) este denumit inima PEMFC și este, de obicei, făcută dintr-o membrană schimbătoare de protoni cuprinsă între două hârtie de carbon acoperită cu catalizator. Platina și/sau tipuri similare de metale nobile sunt utilizate de obicei ca catalizator pentru PEMFC. Electrolitul ar putea fi o membrană polimerică.

Probleme de proiectare a celulei de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni Editare

Pilă de combustibil cu acid fosforic (PAFC) Edit

Pilele de combustibil cu acid fosforic (PAFC) au fost proiectate și introduse pentru prima dată în 1961 de G. V. Elmore și H. A. Tanner. În aceste celule, acidul fosforic este folosit ca electrolit neconductor pentru a trece ionii de hidrogen pozitivi de la anod la catod. Aceste celule funcționează de obicei la temperaturi de 150 până la 200 de grade Celsius. Această temperatură ridicată va provoca pierderi de căldură și energie dacă căldura nu este îndepărtată și utilizată corespunzător. Această căldură poate fi folosită pentru a produce abur pentru sistemele de aer condiționat sau orice alt sistem consumator de energie termică. [37] Utilizarea acestei călduri în cogenerare poate crește eficiența celulelor de combustibil cu acid fosforic de la 40 la 50% la aproximativ 80%. [37] Acidul fosforic, electrolitul folosit în PAFC, este un acid lichid neconductor care forțează electronii să călătorească de la anod la catod printr-un circuit electric extern. Deoarece rata de producție a ionilor de hidrogen pe anod este mică, platina este utilizată ca catalizator pentru a crește această viteză de ionizare. Un dezavantaj cheie al acestor celule este utilizarea unui electrolit acid. Aceasta crește coroziunea sau oxidarea componentelor expuse acidului fosforic. [38]

Pilă cu combustibil acid solid (SAFC) Edit

Pilele de combustibil acid solid (SAFC) sunt caracterizate prin utilizarea unui material acid solid ca electrolit. La temperaturi scăzute, acizii solizi au o structură moleculară ordonată ca majoritatea sărurilor. La temperaturi mai calde (între 140 și 150 °C pentru CsHSO4), unii acizi solizi trec printr-o tranziție de fază pentru a deveni structuri „superprotonice” foarte dezordonate, ceea ce crește conductivitatea cu câteva ordine de mărime. Primele SAFC cu dovadă de concept au fost dezvoltate în 2000 utilizând sulfatul hidrogen de cesiu (CsHSO4). [39] Sistemele SAFC actuale folosesc fosfat dihidrogen de cesiu (CsH2PO4) și au demonstrat durate de viață în mii de ore. [40]

Pilă de combustie alcalină (AFC) Edit

Celula de combustibil alcalină sau celula de combustibil hidrogen-oxigen a fost proiectată și demonstrată pentru prima dată public de Francis Thomas Bacon în 1959. A fost folosită ca sursă primară de energie electrică în programul spațial Apollo. [41] Celula este formată din doi electrozi de carbon poros impregnați cu un catalizator adecvat, cum ar fi Pt, Ag, CoO, etc. Spațiul dintre cei doi electrozi este umplut cu o soluție concentrată de KOH sau NaOH care servește ca electrolit. H2 gaz și O2 gazele sunt barbotate în electrolit prin electrozii de carbon poros. Astfel, reacția globală implică combinația de hidrogen gazos și oxigen gazos pentru a forma apă. Celula funcționează continuu până la epuizarea rezervei de reactant. Acest tip de celulă funcționează eficient în intervalul de temperatură 343–413 K și oferă un potențial de aproximativ 0,9 V. [42] AAEMFC este un tip de AFC care utilizează un electrolit polimer solid în loc de hidroxid de potasiu apos (KOH) și este superior la AFC apos.

Pile de combustie la temperaturi ridicate Edit

Pilă de combustie cu oxid solid Edit

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) folosesc ca electrolit un material solid, cel mai frecvent un material ceramic numit zirconiu stabilizat cu yttria (YSZ). Deoarece SOFC-urile sunt realizate în întregime din materiale solide, ele nu se limitează la configurația plană a altor tipuri de celule de combustibil și sunt adesea proiectate ca tuburi laminate. Acestea necesită temperaturi ridicate de funcționare (800–1000 °C) și pot fi funcționate cu o varietate de combustibili, inclusiv cu gaz natural. [5]

SOFC-urile sunt unice, deoarece în acestea, ionii de oxigen încărcați negativ călătoresc de la catod (partea pozitivă a celulei de combustibil) la anod (partea negativă a celulei de combustibil) în loc de ionii de hidrogen încărcați pozitiv care călătoresc de la anod la catod, așa cum este cazul tuturor celorlalte tipuri de pile de combustie. Oxigenul gazos este alimentat prin catod, unde absoarbe electroni pentru a crea ioni de oxigen. Ionii de oxigen călătoresc apoi prin electrolit pentru a reacționa cu hidrogenul gazos la anod. Reacția de la anod produce electricitate și apă ca subproduse. Dioxidul de carbon poate fi, de asemenea, un produs secundar, în funcție de combustibil, dar emisiile de carbon dintr-un sistem SOFC sunt mai mici decât cele de la o instalație de ardere a combustibililor fosili. [43] Reacțiile chimice pentru sistemul SOFC pot fi exprimate după cum urmează: [44]

Reacția anodului: 2H2 + 2O 2− → 2H2O + 4e − Reacție catodică: O2 + 4e − → 2O 2− Reacția globală a celulelor: 2H2 + O2 → 2H2O

Sistemele SOFC pot funcționa cu alți combustibili decât hidrogenul pur. Cu toate acestea, deoarece hidrogenul este necesar pentru reacțiile enumerate mai sus, combustibilul selectat trebuie să conțină atomi de hidrogen. Pentru ca pila de combustie să funcționeze, combustibilul trebuie transformat în hidrogen pur. SOFC-urile sunt capabile să reformeze intern hidrocarburile ușoare, cum ar fi metanul (gazul natural), [45] propanul și butanul. [46] Aceste celule de combustibil sunt într-un stadiu incipient de dezvoltare. [47]

Există provocări în sistemele SOFC din cauza temperaturilor ridicate de funcționare ale acestora. O astfel de provocare este potențialul ca praful de carbon să se acumuleze pe anod, ceea ce încetinește procesul de reformare internă. Cercetările pentru a aborda această problemă de „cocsificare de carbon” de la Universitatea din Pennsylvania au arătat că utilizarea cermetului pe bază de cupru (materiale rezistente la căldură din ceramică și metal) poate reduce cocsificarea și pierderea performanței. [48] ​​Un alt dezavantaj al sistemelor SOFC este timpul lent de pornire, făcând SOFC-urile mai puțin utile pentru aplicațiile mobile. În ciuda acestor dezavantaje, o temperatură ridicată de funcționare oferă un avantaj prin eliminarea necesității unui catalizator de metal prețios precum platina, reducând astfel costul. În plus, căldura reziduală de la sistemele SOFC poate fi captată și reutilizată, crescând eficiența generală teoretică până la 80–85%. [5]

Temperatura ridicată de funcționare se datorează în mare parte proprietăților fizice ale electrolitului YSZ. Pe măsură ce temperatura scade, la fel și conductivitatea ionică a YSZ. Prin urmare, pentru a obține o performanță optimă a celulei de combustie, este necesară o temperatură ridicată de funcționare. Potrivit site-ului lor, Ceres Power, un producător de celule de combustibil SOFC din Marea Britanie, a dezvoltat o metodă de reducere a temperaturii de funcționare a sistemului lor SOFC la 500-600 de grade Celsius. Ei au înlocuit electrolitul YSZ folosit în mod obișnuit cu un electrolit CGO (oxid de ceriu gadoliniu). Temperatura de funcționare mai scăzută le permite să utilizeze oțel inoxidabil în loc de ceramică ca substrat celular, ceea ce reduce costurile și timpul de pornire a sistemului. [49]

Celulă de combustibil cu carbonat topit (MCFC) Edit

Pilele de combustibil cu carbonat topit (MCFC) necesită o temperatură ridicată de funcționare, 650 °C (1.200 °F), similară cu SOFC. MCFC folosesc sare de carbonat de litiu și potasiu ca electrolit, iar această sare se lichefiază la temperaturi ridicate, permițând mișcarea sarcinii în interiorul celulei - în acest caz, ionii de carbonat negativ. [50]

La fel ca SOFC, MCFC-urile sunt capabile să transforme combustibilul fosili într-un gaz bogat în hidrogen în anod, eliminând necesitatea de a produce hidrogen extern. Procesul de reformare creează CO
2 emisii. Combustibilii compatibili cu MCFC includ gazul natural, biogazul și gazul produs din cărbune. Hidrogenul din gaz reacționează cu ionii de carbonat din electrolit pentru a produce apă, dioxid de carbon, electroni și cantități mici de alte substanțe chimice. Electronii călătoresc printr-un circuit extern creând electricitate și revin la catod. Acolo, oxigenul din aer și dioxidul de carbon reciclat din anod reacționează cu electronii pentru a forma ioni de carbonat care completează electrolitul, completând circuitul. [50] Reacțiile chimice pentru un sistem MCFC pot fi exprimate după cum urmează: [51]

Reacția anodului: CO3 2− + H2 → H2O + CO2 + 2e − Reacție catodică: CO2 + ½O2 + 2e − → CO3 2− Reacția globală a celulelor: H2 + ½O2 → H2O

Ca și în cazul SOFC-urilor, dezavantajele MCFC includ timpii de pornire lenți din cauza temperaturii lor ridicate de funcționare. Acest lucru face ca sistemele MCFC să nu fie adecvate pentru aplicații mobile și, cel mai probabil, această tehnologie va fi utilizată în scopuri staționare cu celule de combustibil. Principala provocare a tehnologiei MCFC este durata scurtă de viață a celulelor. Electrolitul de temperatură ridicată și carbonat duc la coroziunea anodului și catodului. Acești factori accelerează degradarea componentelor MCFC, scăzând durabilitatea și durata de viață a celulei. Cercetătorii abordează această problemă prin explorarea materialelor rezistente la coroziune pentru componente, precum și a modelelor de celule de combustibil care pot crește durata de viață a celulei fără a scădea performanța. [5]

MCFC prezintă mai multe avantaje față de alte tehnologii cu celule de combustibil, inclusiv rezistența lor la impurități. Nu sunt predispuși la „cocsificare cu carbon”, care se referă la acumularea de carbon pe anod care are ca rezultat o performanță redusă prin încetinirea procesului intern de reformare a combustibilului. Prin urmare, combustibilii bogați în carbon, cum ar fi gazele obținute din cărbune, sunt compatibili cu sistemul. Departamentul de Energie al Statelor Unite susține că cărbunele, în sine, ar putea fi chiar o opțiune de combustibil în viitor, presupunând că sistemul poate fi făcut rezistent la impurități precum sulful și particulele care rezultă din transformarea cărbunelui în hidrogen. [5] MCFC-urile au, de asemenea, eficiențe relativ ridicate. Ele pot atinge o eficiență combustibil-electricitate de 50%, considerabil mai mare decât eficiența de 37-42% a unei fabrici cu celule de combustibil cu acid fosforic. Eficiența poate fi de până la 65% atunci când pila de combustibil este asociată cu o turbină și de 85% dacă căldura este captată și utilizată într-un sistem combinat de căldură și energie (CHP). [50]

FuelCell Energy, un producător de celule de combustie din Connecticut, dezvoltă și vinde pile de combustibil MCFC. Compania spune că produsele lor MCFC variază de la sisteme de 300 kW la 2,8 MW care ating o eficiență electrică de 47% și pot utiliza tehnologia CHP pentru a obține eficiențe generale mai mari. Un produs, DFC-ERG, este combinat cu o turbină cu gaz și, conform companiei, atinge o eficiență electrică de 65%. [52]

Pilă de combustie cu stocare electrică Edit

Pila electrică de stocare a combustibilului este o baterie convențională încărcabilă prin intrarea de energie electrică, folosind efectul electro-chimic convențional. Cu toate acestea, bateria mai include intrări de hidrogen (și oxigen) pentru încărcarea alternativă a bateriei chimic. [53]

Comparația tipurilor de celule de combustie Edit

Numele celulei de combustie Electrolit Putere calificată (W) Temperatura de lucru (°C) Eficienţă stare Cost (USD/W)
Celulă Sistem
Pilă de combustie cu hidrură metalică Soluție apoasă alcalină > −20
(50% Pvârf @ 0 °C)
Comercial / Cercetare
Pilă de combustie electro-galvanică Soluție apoasă alcalină < 40 Comercial / Cercetare
Pilă de combustibil cu acid formic direct (DFAFC) Membrană polimerică (ionomer) < 50 W < 40 Comercial / Cercetare
Baterie zinc-aer Soluție apoasă alcalină < 40 Productie in masa
Pilă de combustibil microbiană Membrană polimerică sau acid humic < 40 Cercetare
Celulă de combustibil microbiană cu flux ascendent (UMFC) < 40 Cercetare
Pilă de combustibil regenerativă Membrană polimerică (ionomer) < 50 Comercial / Cercetare
Celulă de combustie cu borohidrură directă Soluție apoasă alcalină 70 Comercial
Pilă de combustibil alcalină Soluție apoasă alcalină 10–200 kW < 80 60–70% 62% Comercial / Cercetare
Celulă de combustie cu metanol direct Membrană polimerică (ionomer) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25% [54] Comercial / Cercetare 125
Pilă de combustibil cu metanol reformat Membrană polimerică (ionomer) 5 W – 100 kW 250–300 (reformator)
125–200 (PBI)
50–60% 25–40% Comercial / Cercetare
Celulă de combustie cu etanol direct Membrană polimerică (ionomer) < 140 mW/cm² > 25
? 90–120
Cercetare
Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni Membrană polimerică (ionomer) 1 W – 500 kW 50–100 (Nafion) [55]
120–200 (PBI) [56]
50–70% 30–50% [54] Comercial / Cercetare 50–100
Celulă de combustibil redox (RFC) Electroliți lichizi cu navetă redox și membrană polimerică (ionomer) 1 kW – 10 MW Cercetare
Pilă de combustibil cu acid fosforic Acid fosforic topit (H3PO4) < 10 MW 150–200 55% 40% [54]
Co-gen: 90%
Comercial / Cercetare 4.00–4.50
Pilă de combustibil acid solid Sare oxianion conducătoare de H + (acid solid) 10 W – 1 kW 200–300 55–60% 40–45% Comercial / Cercetare
Celulă de combustibil cu carbonat topit Carbonat alcalin topit 100 MW 600–650 55% 45–55% [54] Comercial / Cercetare
Celulă de combustibil tubulară cu oxid solid (TSOFC) O 2− -conductor ceramic oxid < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% Comercial / Cercetare
Celulă de combustie ceramică protonică Oxid ceramic conducător de H+ 700 Cercetare
Celula de combustibil direct cu carbon Cateva diferite 700–850 80% 70% Comercial / Cercetare
Celulă de combustibil planară cu oxid solid O 2− -conductor ceramic oxid < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60% [54] Comercial / Cercetare
Pile de biocombustibil enzimatice Orice care nu va denatura enzima < 40 Cercetare
Celulă de combustibil magneziu-aer Apa sarata -20 până la 55 90% Comercial / Cercetare

Glosar de termeni din tabel:

Eficiență maximă teoretică Edit

Eficiența energetică a unui sistem sau dispozitiv care convertește energia este măsurată prin raportul dintre cantitatea de energie utilă emisă de sistem („energie de ieșire”) și cantitatea totală de energie care este introdusă („energie de intrare”) sau prin energia utilă de ieșire ca procent din energia totală de intrare. În cazul pilelor de combustie, energia utilă de ieșire este măsurată în energia electrică produsă de sistem. Energia de intrare este energia stocată în combustibil. Potrivit Departamentului de Energie al SUA, celulele de combustibil sunt în general între 40 și 60% eficiente din punct de vedere energetic. [61] Aceasta este mai mare decât unele alte sisteme pentru generarea de energie. De exemplu, motorul tipic cu ardere internă al unei mașini are o eficiență energetică de aproximativ 25%. [62] În sistemele combinate de căldură și energie (CHP), căldura produsă de celula de combustibil este captată și utilizată, crescând eficiența sistemului până la 85–90%. [5]

Eficiența maximă teoretică a oricărui tip de sistem de generare a energiei nu este niciodată atinsă în practică și nu ia în considerare alte etape în producerea energiei, precum producția, transportul și depozitarea combustibilului și conversia energiei electrice în putere mecanică. Cu toate acestea, acest calcul permite compararea diferitelor tipuri de generare de energie. Eficiența maximă teoretică a unei celule de combustibil se apropie de 100%, [63] în timp ce randamentul maxim teoretic al motoarelor cu ardere internă este de aproximativ 58%. [64]

În practică Edit

Într-un vehicul cu celule de combustibil, eficiența rezervorului la roată este mai mare de 45% la sarcini mici [65] și arată valori medii de aproximativ 36% atunci când un ciclu de conducere precum NEDC (New European Driving Cycle) este utilizat ca procedură de testare. . [66] Valoarea NEDC comparabilă pentru un vehicul diesel este de 22%. În 2008, Honda a lansat un vehicul electric cu celule de combustie demonstrative (Honda FCX Clarity) cu rezervor de combustibil care pretinde o eficiență de la rezervor la roată de 60%. [67]

De asemenea, este important să se ia în considerare pierderile datorate producției, transportului și depozitării combustibilului. Vehiculele cu celule de combustie care funcționează cu hidrogen comprimat pot avea o eficiență de la centrala electrică la roată de 22% dacă hidrogenul este stocat ca gaz de înaltă presiune și de 17% dacă este stocat ca hidrogen lichid. [68] Pilele de combustie nu pot stoca energie ca o baterie, [69] cu excepția hidrogenului, dar în unele aplicații, cum ar fi centralele electrice de sine stătătoare bazate pe surse discontinue, cum ar fi energia solară sau eoliană, acestea sunt combinate cu electrolizoare și sisteme de stocare. pentru a forma un sistem de stocare a energiei. Începând cu 2019, 90% din hidrogen a fost folosit pentru rafinarea petrolului, produse chimice și producția de îngrășăminte, iar 98% din hidrogen este produs prin reformarea metanului cu abur, care emite dioxid de carbon. [70] Eficiența globală (electricitate la hidrogen și înapoi la electricitate) a unor astfel de centrale (cunoscute ca eficienta dus-intors), folosind hidrogen pur și oxigen pur poate fi „de la 35 până la 50 la sută”, în funcție de densitatea gazului și de alte condiții. [71] Sistemul electrolizor/pile de combustie poate stoca cantități nedefinite de hidrogen și, prin urmare, este potrivit pentru stocarea pe termen lung.

Pilele de combustibil cu oxid solid produc căldură prin recombinarea oxigenului și hidrogenului. Ceramica poate funcționa până la 800 de grade Celsius. Această căldură poate fi captată și utilizată pentru a încălzi apa într-o aplicație micro combinată de căldură și energie (m-CHP). Când căldura este captată, eficiența totală poate ajunge la 80–90% la unitate, dar nu ia în considerare pierderile de producție și distribuție. Unitățile CHP sunt dezvoltate astăzi pentru piața internă europeană.

Profesorul Jeremy P. Meyers, în revista Electrochemical Society Interfață în 2008, a scris: „În timp ce pilele de combustie sunt eficiente în comparație cu motoarele cu ardere, ele nu sunt la fel de eficiente ca bateriile, în primul rând din cauza ineficienței reacției de reducere a oxigenului (și a reacției de evoluție a oxigenului, dacă hidrogenul ar fi format prin electroliza apă). [Ei au cel mai mult sens pentru funcționarea deconectată de la rețea sau când combustibilul poate fi furnizat continuu. Pentru aplicații care necesită porniri frecvente și relativ rapide. unde emisii zero sunt o cerință, ca în spațiile închise precum ca depozite și acolo unde hidrogenul este considerat un reactant acceptabil, o [pilă de combustibil PEM] devine o alegere din ce în ce mai atractivă [dacă schimbarea bateriilor este incomod]”. [72] În 2013, organizațiile militare au evaluat celulele de combustie pentru a determina dacă ar putea reduce semnificativ greutatea bateriei transportată de soldați. [73]

Power Edit

Pilele de combustibil staționare sunt utilizate pentru generarea de energie primară și de rezervă comercială, industrială și rezidențială. Pilele de combustie sunt foarte utile ca surse de energie în locații îndepărtate, cum ar fi nave spațiale, stații meteorologice îndepărtate, parcuri mari, centre de comunicații, locații rurale, inclusiv stații de cercetare și în anumite aplicații militare. Un sistem de celule de combustibil care funcționează pe hidrogen poate fi compact și ușor și nu are părți majore în mișcare. Deoarece celulele de combustie nu au piese in miscare si nu implica ardere, in conditii ideale pot atinge o fiabilitate de pana la 99,9999%. [74] Acest lucru echivalează cu mai puțin de un minut de oprire într-o perioadă de șase ani. [74]

Întrucât sistemele electrolizoare cu celule de combustie nu stochează combustibil în sine, ci se bazează mai degrabă pe unități de stocare externe, acestea pot fi aplicate cu succes în stocarea energiei pe scară largă, zonele rurale fiind un exemplu. [75] Există multe tipuri diferite de celule de combustie staționare, astfel încât eficiența variază, dar majoritatea sunt între 40% și 60% eficiente energetic. [5] Cu toate acestea, atunci când căldura reziduală a celulei de combustibil este utilizată pentru a încălzi o clădire într-un sistem de cogenerare, această eficiență poate crește la 85%. [5] Aceasta este semnificativ mai eficientă decât centralele tradiționale pe cărbune, care sunt doar aproximativ o treime eficiente din punct de vedere energetic. [76] Presupunând producția la scară, pilele de combustie ar putea economisi 20-40% din costurile energetice atunci când sunt utilizate în sistemele de cogenerare. [77] Pilele de combustie sunt, de asemenea, mult mai curate decât generarea de energie tradițională, o centrală electrică cu celule de combustie care folosește gaz natural ca sursă de hidrogen ar crea mai puțin de o uncie de poluare (altul decât CO).
2) pentru fiecare 1.000 kW·h produs, comparativ cu 25 de kilograme de poluanți generați de sistemele convenționale de ardere. [78] Pilele de combustie produc, de asemenea, cu 97% mai puține emisii de oxizi de azot decât centralele convenționale pe cărbune.

Un astfel de program pilot operează pe insula Stuart din statul Washington. Acolo, Stuart Island Energy Initiative [79] a construit un sistem complet, în buclă închisă: panourile solare alimentează un electrolizor, care produce hidrogen. Hidrogenul este stocat într-un rezervor de 500 de galoane SUA (1.900 L) la 200 de lire sterline pe inch pătrat (1.400 kPa) și rulează o celulă de combustie ReliOn pentru a oferi o rezervă completă electrică pentru reședința în afara rețelei. O altă buclă de sistem închisă a fost dezvăluită la sfârșitul anului 2011 în Hempstead, NY. [80]

Pilele de combustie pot fi utilizate cu gaz de calitate scăzută din gropile de gunoi sau stațiile de tratare a apelor uzate pentru a genera energie și a reduce emisiile de metan. Se spune că o centrală cu celule de combustibil de 2,8 MW din California este cea mai mare de acest tip. [81] Pile de combustibil la scară mică (sub 5 kWh) sunt dezvoltate pentru a fi utilizate în instalarea rezidențială în afara rețelei. [82]

Cogenerare Editare

Sistemele combinate de energie termică și electrică (CHP), inclusiv sistemele microcombinate de căldură și energie electrică (MicroCHP) sunt utilizate pentru a genera atât energie electrică, cât și căldură pentru locuințe (a se vedea celula de combustibil de acasă), clădiri de birouri și fabrici. Sistemul generează energie electrică constantă (vând excesul de energie înapoi la rețea atunci când nu este consumat) și, în același timp, produce aer cald și apă din căldura reziduală. Ca rezultat, sistemele de cogenerare au potențialul de a economisi energie primară, deoarece pot folosi căldura reziduală, care este în general respinsă de sistemele de conversie a energiei termice. [83] O gamă de capacitate tipică a pilei de combustie casnică este de 1–3 kWel, 4–8 kWth. [84] [85] Sistemele de cogenerare legate de răcitoarele cu absorbție își folosesc căldura reziduală pentru refrigerare. [86]

Căldura reziduală de la celulele de combustibil poate fi redirecționată în timpul verii direct în pământ, oferind o răcire suplimentară, în timp ce căldura reziduală în timpul iernii poate fi pompată direct în clădire. Universitatea din Minnesota deține drepturile de brevet pentru acest tip de sistem [87] [88]

Sistemele de cogenerare pot atinge o eficiență de 85% (40–60% electrică, iar restul termic). [5] Pilele de combustibil cu acid fosforic (PAFC) cuprind cel mai mare segment de produse CHP existente la nivel mondial și pot oferi eficiențe combinate de aproape 90%. [89] [90] Carbonatul topit (MCFC) și pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) sunt, de asemenea, utilizate pentru generarea combinată de căldură și energie și au eficiențe energetice de aproximativ 60%. [91] Dezavantajele sistemelor de cogenerare includ ratele de creștere și scădere lente, costuri ridicate și durata de viață scurtă. [92] [93] De asemenea, nevoia lor de a avea un rezervor de stocare a apei calde pentru a netezi producția de căldură termică a fost un dezavantaj serios pe piața internă, unde spațiul în proprietățile casnice este la o primă mare. [94]

Consultanții Delta-ee au declarat în 2013 că, cu 64% din vânzările globale, microcombinarea energiei termice și electrice cu celule de combustibil a depășit sistemele convenționale în vânzări în 2012. [73] Proiectul japonez ENE FARM va trece de 100.000 FC mCHP sisteme în 2014, 34.213 PEMFC și 2.224 SOFC au fost instalate în perioada 2012–2014, 30.000 de unități pe GNL și 6.000 pe GPL. [95]

Vehicule electrice cu celule de combustibil (FCEV) Edit

Automobile Edit

Până la sfârșitul anului 2019, aproximativ 18.000 de FCEV au fost închiriate sau vândute în întreaga lume. [96] Trei vehicule electrice cu celule de combustibil au fost introduse pentru închiriere și vânzare comercială: Honda Clarity, Toyota Mirai și Hyundai ix35 FCEV. Modelele demonstrative suplimentare includ Honda FCX Clarity și Mercedes-Benz F-Cell. [97] În iunie 2011, FCEV-urile demonstrative au condus mai mult de 4.800.000 km (3.000.000 mi), cu peste 27.000 de realimentări. [98] Vehiculele electrice cu celule de combustibil au o autonomie medie de 314 mile între realimentări. [99] Pot fi alimentate în mai puțin de 5 minute. [100] Programul Tehnologic al Pilelor de Combustie al Departamentului de Energie al SUA afirmă că, începând cu 2011, celulele de combustibil au atins 53–59% eficiență la un sfert de putere și 42–53% eficiență a vehiculului la putere maximă [101] și o durabilitate de peste 120.000 km (75.000 mi) cu o degradare mai mică de 10%.[102] Într-o analiză de simulare Well-to-Wheels din 2017, care „nu a abordat constrângerile economice și ale pieței”, General Motors și partenerii săi au estimat că pe milă parcursă, un vehicul electric cu pile de combustie care funcționează cu hidrogen gazos comprimat produs din gaz natural. ar putea folosi cu aproximativ 40% mai puțină energie și ar putea emite cu 45% mai puține gaze cu efect de seră decât un vehicul cu ardere internă. [103]

În 2015, Toyota a prezentat primul său vehicul cu celule de combustibil, Mirai, la un preț de 57.000 de dolari. [104] Hyundai a introdus Hyundai ix35 FCEV de producție limitată în baza unui contract de închiriere. [105] În 2016, Honda a început să închirieze celula de combustibil Honda Clarity. [106] În 2020, Toyota a introdus cea de-a doua generație a mărcii sale Mirai, îmbunătățind eficiența consumului de combustibil și extinzând autonomia în comparație cu modelul original Sedan 2014. [107]

Critică Edit

Unii comentatori cred că mașinile cu pile de combustibil cu hidrogen nu vor deveni niciodată competitive din punct de vedere economic cu alte tehnologii [108] [109] [110] sau că va dura decenii pentru ca acestea să devină profitabile. [72] [111] Elon Musk, CEO al producătorului de vehicule electrice cu baterii Tesla Motors, a declarat în 2015 că pilele de combustie pentru utilizarea în mașini nu vor fi niciodată viabile din punct de vedere comercial din cauza ineficienței producerii, transportului și stocării hidrogenului și a inflamabilității gaz, printre alte motive. [112]

În 2012, Lux Research, Inc. a emis un raport care spunea: „Visul unei economii cu hidrogen nu este mai aproape”. Acesta a concluzionat că „costul de capital . va limita adopția la doar 5,9 GW” până în 2030, oferind „o barieră aproape de netrecut în calea adopției, cu excepția aplicațiilor de nișă”. Analiza a concluzionat că, până în 2030, piața staționară PEM va ajunge la 1 miliard de dolari, în timp ce piața de vehicule, inclusiv stivuitoarele, va ajunge la un total de 2 miliarde de dolari. [111] Alte analize citează lipsa unei infrastructuri extinse de hidrogen în SUA ca o provocare continuă pentru comercializarea vehiculelor electrice cu celule de combustie. [65]

În 2014, Joseph Romm, autorul Hype-ul despre hidrogen (2005), au spus că FCV-urile încă nu au depășit costul ridicat de alimentare cu combustibil, lipsa infrastructurii de livrare a combustibilului și poluarea cauzată de producerea hidrogenului. „Ar fi nevoie de mai multe miracole pentru a depăși toate aceste probleme simultan în următoarele decenii”. [113] El a concluzionat că energia regenerabilă nu poate fi folosită din punct de vedere economic pentru a produce hidrogen pentru o flotă de FCV „nici acum sau în viitor”. [108] Analistul Greentech Media a ajuns la concluzii similare în 2014. [114] În 2015, Clean Technica a enumerat unele dintre dezavantajele vehiculelor cu celule de combustibil pe hidrogen. [115] Așa a făcut Accelerația mașinii. [116]

Un videoclip din 2019 de Inginerie adevărată a remarcat că, în ciuda introducerii vehiculelor care funcționează cu hidrogen, utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru mașini nu ajută la reducerea emisiilor de carbon din transport. 95% din hidrogenul încă produs din combustibili fosili eliberează dioxid de carbon, iar producerea hidrogenului din apă este un proces consumator de energie. Stocarea hidrogenului necesită mai multă energie fie pentru a-l răci la starea lichidă, fie pentru a-l introduce în rezervoare sub presiune ridicată, iar livrarea hidrogenului către stațiile de alimentare necesită mai multă energie și poate elibera mai mult carbon. Hidrogenul necesar pentru a deplasa un FCV pe kilometru costă aproximativ de 8 ori mai mult decât electricitatea necesară pentru a deplasa un BEV la aceeași distanță. [117] O evaluare din 2020 a concluzionat că vehiculele cu hidrogen sunt încă doar 38% eficiente, în timp ce EV-urile cu baterii sunt 80% eficiente. [118]

Autobuze Editare

În august 2011 [actualizare] , existau aproximativ 100 de autobuze cu celule de combustibil în serviciu în întreaga lume. [119] Cele mai multe dintre acestea au fost fabricate de UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics și Proton Motor. Autobuzele UTC au condus mai mult de 970.000 km (600.000 mi) până în 2011. [120] Autobuzele cu celule de combustibil au o economie de combustibil cu 39% până la 141% mai mare decât autobuzele diesel și autobuzele pe gaz natural. [103] [121]

Începând cu 2019, NREL evalua mai multe proiecte de autobuze cu celule de combustibil actuale și planificate în S.U.A. [122]

Stivuitoare Edit

Un stivuitor cu pile de combustibil (numit și stivuitor cu pile de combustibil) este un stivuitor industrial alimentat cu celule de combustibil, utilizat pentru ridicarea și transportul materialelor. În 2013, în SUA erau peste 4.000 de stivuitoare cu celule de combustie utilizate în manipularea materialelor, [123] dintre care 500 au primit finanțare de la DOE (2012). [124] [125] Flotele de celule de combustie sunt operate de diverse companii, inclusiv Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (la Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark și Whole Foods) și H-E-B Grocers. [126] Europa a demonstrat 30 de stivuitoare cu celule de combustibil cu Hylift și l-a extins cu HyLIFT-EUROPE la 200 de unități, [127] cu alte proiecte în Franța [128] [129] și Austria. [130] Pike Research a proiectat în 2011 că stivuitoarele cu pile de combustie vor fi cel mai mare motor al cererii de combustibil cu hidrogen până în 2020. [131]

Majoritatea companiilor din Europa și SUA nu folosesc stivuitoare pe bază de petrol, deoarece aceste vehicule lucrează în interior, unde emisiile trebuie controlate și în schimb folosesc stivuitoare electrice. [132] [133] Stivuitoarele alimentate cu pile de combustibil pot oferi beneficii față de stivuitoarele alimentate cu baterii, deoarece pot fi alimentate în 3 minute și pot fi folosite în depozite frigorifice, unde performanța lor nu este degradată de temperaturi mai scăzute. Unitățile FC sunt deseori proiectate ca înlocuitori introduse. [134] [135]

Motociclete și biciclete Edit

În 2005, un producător britanic de pile de combustie alimentate cu hidrogen, Intelligent Energy (IE), a produs prima motocicletă funcțională pe bază de hidrogen numită ENV (Emission Neutral Vehicle). Motocicleta are suficient combustibil pentru a rula timp de patru ore și pentru a parcurge 160 km (100 mi) într-o zonă urbană, cu o viteză maximă de 80 km/h (50 mph). [136] În 2004, Honda a dezvoltat o motocicletă cu celule de combustibil care a folosit Honda FC Stack. [137] [138]

Alte exemple de motociclete [139] și biciclete [140] care folosesc pile de combustie cu hidrogen includ scuterul companiei taiwaneze APFCT [141] care folosește sistemul de alimentare de la Acta SpA din Italia [142] și scuterul Suzuki Burgman cu o celulă de combustibil IE care a primit UE. Omologare de tip pentru întregul vehicul în 2011. [143] Suzuki Motor Corp. și IE au anunțat o societate în comun pentru a accelera comercializarea vehiculelor cu emisii zero. [144]

Avioane Editare

În 2003, a fost zburat primul avion cu elice din lume alimentat în întregime de o celulă de combustibil. Celula de combustie a fost un design de stivă care a permis ca celula de combustibil să fie integrată cu suprafețele aerodinamice ale avionului. [145] Vehiculele aeriene fără pilot (UAV) alimentate cu celule de combustibil includ un UAV cu celulă de combustibil Horizon care a stabilit distanța record pentru un UAV mic în 2007. [146] Cercetătorii Boeing și partenerii din industrie din întreaga Europă au efectuat teste experimentale de zbor în februarie 2008, un avion cu pilot alimentat doar de o celulă de combustibil și baterii ușoare. Avionul demonstrativ cu pile de combustibil, așa cum a fost numit, a folosit un sistem hibrid de celule de combustibil/baterie litiu-ion cu membrană schimbătoare de protoni (PEM) pentru a alimenta un motor electric, care a fost cuplat la o elice convențională. [147]

În 2009, Ion Tiger al Laboratorului de Cercetare Navală (NRL) a folosit o celulă de combustibil alimentată cu hidrogen și a zburat timp de 23 de ore și 17 minute. [148] Pilele de combustie sunt, de asemenea, testate și considerate a furniza energie auxiliară în aeronave, înlocuind generatoarele de combustibili fosili care au fost utilizate anterior pentru a porni motoarele și pentru a alimenta nevoile electrice de la bord, reducând în același timp emisiile de carbon. [149] [150] [ verificarea eșuată ] În 2016, o dronă Raptor E1 a efectuat un zbor de testare cu succes folosind o celulă de combustibil care era mai ușoară decât bateria litiu-ion pe care a înlocuit-o. Zborul a durat 10 minute la o altitudine de 80 de metri (260 ft), deși se pare că pila de combustibil avea suficient combustibil pentru a zbura timp de două ore. Combustibilul a fost conținut în aproximativ 100 de pelete solide de 1 centimetru pătrat (0,16 inchi pătrați) compuse dintr-o substanță chimică proprie într-un cartuş nepresurizat. Peleții sunt robusti din punct de vedere fizic și funcționează la temperaturi de până la 50 °C (122 °F). Celula era de la Arcola Energy. [151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker este un UAV electric alimentat de o celulă de combustibil cu oxid solid. [152]

Bărci Editare

Prima barcă HYDRA cu celule de combustibil din lume a folosit un sistem AFC cu o putere netă de 6,5 kW. Amsterdam a introdus bărci alimentate cu celule de combustibil care transportă oamenii în jurul canalelor orașului. [153]

Submarine Edit

Submarinele de tip 212 ale marinelor germane și italiene folosesc celule de combustie pentru a rămâne scufundate săptămâni întregi fără a fi nevoie să iasă la suprafață.

U212A este un submarin non-nuclear dezvoltat de șantierul naval german Howaldtswerke Deutsche Werft. [154] Sistemul este format din nouă pile de combustibil PEM, care furnizează între 30 kW și 50 kW fiecare. Nava este tăcută, oferindu-i un avantaj în detectarea altor submarine. [155] O lucrare navală a teoretizat despre posibilitatea unui hibrid nuclear-pile de combustie prin care pila de combustibil este utilizată atunci când sunt necesare operațiuni silențioase și apoi reumpletă din reactorul nuclear (și apă). [156]

Sisteme de alimentare portabile Edit

Sistemele portabile cu celule de combustie sunt, în general, clasificate ca având o greutate sub 10 kg și o putere mai mică de 5 kW. [157] Dimensiunea potențială a pieței pentru celulele de combustie mai mici este destul de mare, cu o rată de creștere potențială de până la 40% pe an și o dimensiune a pieței de aproximativ 10 miliarde USD, ceea ce conduce o mare parte de cercetări care urmează să fie dedicate dezvoltării celulelor portabile de putere. . [158] În cadrul acestei piețe au fost identificate două grupuri. Prima este piața de micropile de combustibil, în gama 1-50 W pentru dispozitive electronice mai mici. Al doilea este gama de generatoare de 1-5 kW pentru generarea de energie la scară mai mare (de exemplu, avanposturi militare, câmpuri petroliere îndepărtate).

Micropilele de combustibil sunt destinate în primul rând să pătrundă pe piața telefoanelor și laptopurilor. Acest lucru poate fi atribuit în primul rând densității energetice avantajoase oferite de celulele de combustie față de o baterie litiu-ion, pentru întregul sistem. Pentru o baterie, acest sistem include încărcătorul, precum și bateria în sine. Pentru celula de combustie, acest sistem ar include celula, combustibilul necesar și accesoriile periferice. Luând în considerare întregul sistem, s-a demonstrat că celulele de combustie oferă 530 Wh/kg, comparativ cu 44 Wh/kg pentru bateriile cu ioni de litiu. [158] Cu toate acestea, în timp ce greutatea sistemelor cu celule de combustibil oferă un avantaj distinct, costurile actuale nu sunt în favoarea lor. în timp ce un sistem de baterii va costa în general aproximativ 1,20 USD per Wh, sistemele cu celule de combustibil costă în jur de 5 USD per Wh, punându-le într-un dezavantaj semnificativ. [158]

Pe măsură ce cererea de energie pentru telefoanele mobile crește, celulele de combustibil ar putea deveni opțiuni mult mai atractive pentru o generare mai mare de energie. Cererea pentru mai mult timp pentru telefoane și computere este ceva adesea cerut de consumatori, astfel încât pilele de combustibil ar putea începe să facă progrese pe piețele laptopurilor și telefoanelor mobile. Prețul va continua să scadă pe măsură ce evoluția pilelor de combustibil continuă să se accelereze. Strategiile actuale pentru îmbunătățirea micropilelor de combustibil sunt prin utilizarea nanotuburilor de carbon. A fost demonstrat de Girishkumar et al. că depunerea nanotuburilor pe suprafețele electrozilor permite o suprafață substanțial mai mare, crescând rata de reducere a oxigenului. [159]

Pilele de combustie pentru utilizare în operațiuni la scară mai mare sunt, de asemenea, foarte promițătoare. Sistemele portabile de alimentare care folosesc celule de combustie pot fi utilizate în sectorul de agrement (de exemplu, RV-uri, cabine, marine), sectorul industrial (adică energie electrică pentru locații îndepărtate, inclusiv locații de gaz/petrol, turnuri de comunicații, securitate, stații meteo) și în sectorul militar. SFC Energy este un producător german de pile de combustie cu metanol direct pentru o varietate de sisteme portabile de alimentare. [160] Ensol Systems Inc. este un integrator de sisteme de alimentare portabile, folosind SFC Energy DMFC. [161] Avantajul cheie al celulelor de combustie pe această piață este generarea mare de energie pe greutate. În timp ce pilele de combustibil pot fi costisitoare, pentru locațiile îndepărtate care necesită energie de încredere, celulele de combustibil dețin o putere mare. Pentru o excursie de 72 de ore, comparația în greutate este substanțială, cu o celulă de combustie cântărind doar 15 lire, comparativ cu 29 de lire de baterii necesare pentru aceeași energie. [157]

Alte aplicații Editați

  • Furnizarea de energie pentru stațiile de bază sau site-urile de celule[162][163] este un tip de sistem de celule de combustibil, care poate include iluminat, generatoare și alte aparate, pentru a furniza resurse de rezervă în situații de criză sau atunci când sistemele obișnuite eșuează. Ei găsesc utilizări într-o mare varietate de setări, de la case rezidențiale la spitale, laboratoare științifice, centre de date, [164]
  • echipamente de telecomunicații [165] și nave navale moderne.
  • O sursă de alimentare neîntreruptă (UPS) furnizează energie de urgență și, în funcție de topologie, asigură reglarea liniei și echipamentelor conectate prin furnizarea de energie dintr-o sursă separată atunci când energia de rețea nu este disponibilă. Spre deosebire de un generator de așteptare, acesta poate oferi protecție instantanee împotriva unei întreruperi momentane de alimentare. , asociind celula de combustibil fie cu un ICE, fie cu o baterie. pentru aplicații în care încărcarea CA poate să nu fie ușor disponibilă.
  • Docuri portabile de încărcare pentru electronice mici (de exemplu, o clemă de curea care încarcă un telefon mobil sau un PDA). , laptopuri si tablete.
  • Mici aparate de încălzire [166] , realizate prin epuizarea oxigenului și menținerea automată a epuizării oxigenului într-un container de transport, care conține, de exemplu, pește proaspăt. [167] , unde cantitatea de tensiune generată de o pilă de combustie este utilizată pentru a determina concentrația de combustibil (alcool) din probă. [168] , senzor electrochimic.

Statii de alimentare Edit

Potrivit FuelCellsWorks, un grup industrial, la sfârșitul anului 2019, 330 de stații de alimentare cu hidrogen erau deschise publicului din întreaga lume. [169] În iunie 2020, existau 178 de stații de hidrogen disponibile public în funcțiune în Asia. [170] 114 dintre acestea se aflau în Japonia. [171] Existau cel puțin 177 de stații în Europa, iar aproximativ jumătate dintre acestea erau în Germania. [172] [173] Existau 44 de stații accesibile publicului în SUA, dintre care 42 erau situate în California. [174]

Construcția unei stații de alimentare cu hidrogen costă între 1 și 4 milioane de dolari. [175]

În 2012, veniturile din industria pilelor de combustie au depășit valoarea de piață de 1 miliard de dolari la nivel mondial, țările din Asia Pacific livrând mai mult de 3/4 din sistemele de celule de combustibil din întreaga lume. [176] Cu toate acestea, din ianuarie 2014, nicio companie publică din industrie nu a devenit încă profitabilă. [177] Au fost 140.000 de stive de pile de combustie livrate la nivel global în 2010, în creștere de la 11.000 de transporturi în 2007, iar din 2011 până în 2012 transporturile de pile de combustie la nivel mondial au avut o rată anuală de creștere de 85%. [178] Tanaka Kikinzoku și-a extins unitățile de producție în 2011. [179] Aproximativ 50% din livrările de pile de combustie în 2010 au fost pile de combustie staționare, față de aproximativ o treime în 2009, iar cei patru producători dominanti din industria pilelor de combustie au fost Statele Unite. State, Germania, Japonia și Coreea de Sud. [180] Department of Energy Solid State Energy Conversion Alliance a constatat că, din ianuarie 2011, pilele de combustibil staționare generau energie la aproximativ 724-775 USD per kilowatt instalat. [181] În 2011, Bloom Energy, un furnizor important de celule de combustie, a declarat că pilele sale de combustibil generau energie cu 9-11 cenți pe kilowatt-oră, inclusiv prețul combustibilului, întreținere și hardware. [182] [183]

Grupurile din industrie prevăd că există suficiente resurse de platină pentru cererea viitoare [184] și, în 2007, cercetările de la Brookhaven National Laboratory au sugerat că platina ar putea fi înlocuită cu o acoperire cu aur-paladiu, care poate fi mai puțin susceptibilă la otrăvire și, prin urmare, să îmbunătățească celula de combustibil. durata de viață. [185] O altă metodă ar folosi fier și sulf în loc de platină. Acest lucru ar reduce costul unei pile de combustie (deoarece platina dintr-o celulă de combustibil obișnuită costă în jur de 1.500 USD, iar aceeași cantitate de fier costă doar în jur de 1,50 USD). Conceptul a fost dezvoltat de o coaliție a Centrului John Innes și a Universității din Milano-Bicocca. [186] Catozii PEDOT sunt imuni la otrăvirea cu monoxid. [187]

În 2016, Samsung „a decis să renunțe la proiectele de afaceri legate de celulele de combustibil, deoarece perspectivele pieței nu sunt bune”. [188]


Tabelul temperaturilor flăcării pentru diferiți combustibili

  • Chimie
    • Chimie Fizica
    • Bazele
    • Legile chimice
    • Molecule
    • Tabelul periodic
    • Proiecte și experimente
    • Metodă științifică
    • Biochimie
    • Chimie medicală
    • Chimia în viața de zi cu zi
    • Chimiști celebri
    • Activități pentru copii
    • Abrevieri și acronime
    • Ph.D., Științe Biomedicale, Universitatea din Tennessee din Knoxville
    • B.A., Fizică și Matematică, Colegiul Hastings

    Aceasta este o listă de temperaturi ale flăcării pentru diferiți combustibili obișnuiți. Temperaturile adiabatice ale flăcării pentru gazele comune sunt prevăzute pentru aer și oxigen. (Pentru aceste valori, temperatura inițială a aerului, gazului și oxigenului este de 20 °C.) MAPP este un amestec de gaze, în principal metil acetilenă și propadienă cu alte hidrocarburi. Veți obține cel mai bun profit, relativ vorbind, din acetilena în oxigen (3100°C) și fie acetilenă (2400°C), hidrogen (2045°C) fie propan (1980°C) în aer.


    Metode în metabolizarea metanului, partea A

    Katharina Schlegel , Volker Müller , în Methods in Enzymology , 2011

    1. Introducere

    Arheile metanogene cresc pe un număr limitat de C1 substraturi, cum ar fi metanolul, metilaminele, formiatul și unele pot folosi și acetat (Deppenmeier, 2002 Ferry, 1997 Thauer et al., 2008). Centrală pentru toate aceste căi este calea Wood-Ljundahl (Ljungdahl, 1994 Ragsdale, 2008). În timpul creșterii pe H2 + CO2, CO2 este mai întâi legat de metanofuran și astfel redus la o grupare formil (Fig. 12.1). Această reacție endergonică este catalizată de formilmetanofuran dehidrogenază și condusă de gradientul electrochimic de ioni peste membrană (Kaesler și Schönheit, 1989 Winner și Gottschalk, 1989). Gruparea formil este transferată la tetrahidrometanopterină (H4MPT) și redus la o grupare metil. Această grupare metil este transferată la cofactorul M (CoM-SH) de către metil-H4MPT: HS-CoM metiltransferaza. Această reacție exergonică (ΔG0′ = − 29 kJ/mol) se folosește pentru a transfera 1,7 Na + /CH4 peste membrană și astfel generează un gradient primar și electrogen de Na + peste membrană (Becher et al., 1992b Gottschalk și Thauer, 2001 Lienard et al., 1996 Müller et al., 1987). În etapa următoare, metil-CoM suferă un atac nucleofil de către anionul tiolat al HS-CoB (Coenzima B, 7-tioheptanoil-o-fosho- l -treonină), eliberând astfel CH4 și generând o disulfură de CoM și CoB, așa-numita heterodisulfură. Heterodisulfura este acceptorul terminal de electroni în metanogeneză și este redusă și, prin urmare, scindată de o heterodisulfură reductază legată de membrană. Electronii necesari acestei reacții sunt furnizați de F420 (în timpul creșterii pe substraturi metilate), o hidrogenază legată de membrană (în timpul creșterii pe H2 + CO2) sau ferredoxină (în timpul creșterii pe acetat) și transferate printr-un lanț de transport de electroni. În această reacție, trei până la patru H + sunt translocați peste membrană (Blaut et al., 1987 Deppenmeier et al., 1990 ).

    Figura 12.1 . Curenții de ioni în timpul metanogenezei de la H2 + CO2. Vă rugăm să rețineți că acest model descrie doar calea în M. mazei și M. barkeri. M. acetivorans nu contine hidrogenaze. (1) Ech/Eha hidrogenază (2) Na + /H + antiporter (3) metil-H4MPT coenzima M metiltransferaza (4) H2: sistem heterodisulfur oxidoreductază (5) A1AO ATP sintetaza MF, metanofuran H4MPT, tetrahidrometanopterină CoM-SH, coenzima M CoB-SH, coenzima B Fd, ferredoxină.

    În timpul creșterii pe substraturi care conțin grupări metil, grupările metil sunt canalizate către CoM-SH prin metiltransferaze specifice. Un sfert din gruparea metil este oxidată la CO2 pentru a obține echivalentul reducător pentru a reduce celelalte 75% la metan ( Deppenmeier, 2002 van der Meijden et al., 1983 Fig. 12.2). Metanogeneza din acetat începe cu activarea acetatului în acetil-CoA, urmată de o oxidare a acetil-CoA în CO2 și o grupare metil legată de coenzimă care este redusă la CH4 cu electroni câștigați în timpul reacției de oxidare (Ferry, 1997 Terlesky și Ferry, 1988 Thauer, 1990).

    Figura 12.2. Curenții de ioni în timpul metanogenezei din metanol. Vă rugăm să rețineți că acest model descrie doar calea în M. mazei și M. barkeri. M. acetivorans nu conține o hidrogenază Ech ci un complex Rnf. Electronii hidrogenului produs de hidrogenaza Ech/Eha sunt transferați în final la heterodisulfură reductază. Este încă o chestiune de dezbatere dacă acest lucru are loc prin intermediul unui F solubil420 reducând hidrogenaza sau direct de către H2: sistem heterodisulfur oxidoreductază. (1) Ech/Eha hidrogenază (2) Na + /H + antiporter (3) metil-H4MPT-coenzima M metiltransferaza (4) F420: sistem heterodisulfur oxidoreductază (5) A1AO ATP sintetaza MF, metanofuran H4MPT, tetrahidrometanopterină CoM-SH, coenzima M CoB-SH, coenzima B Fd, ferredoxină.

    O trăsătură comună a metanogenezei găsită în toți metanogenii investigați până acum este necesarul de Na +. Na + este necesar nu numai pentru celulele în creștere, ci și pentru celulele de repaus pentru metanogeneză, indicând o implicare a Na + într-una dintre etapele căii ( Müller et al., 1986, 1988 Perski et al., 1981, 1982). Într-adevăr, s-a dovedit că metil-H4SPT:HS-CoM-metiltransferaza este o pompă primară de Na + (Becher et al., 1992a Müller et al., 1987). În afară de Na + metil-H motiv4MPT: HS-CoM-metiltransferaza, sistemul heterodisulfid reductază este un motiv de protoni. Astfel, metanogenii sunt singurele organisme care generează un gradient primar de protoni și ioni de sodiu în același timp. Modul în care cele două forțe motrice ionice sunt conectate la sinteza ATP este încă o chestiune de dezbatere, dar A1AO ATP sinteza este esențială pentru sinteza ATP (Deppenmeier și Müller, 2008 Müller și Grüber, 2003 Pisa et al., 2007 Saum et al., 2009 ).

    În acest capitol, descriem modul în care este analizată dependența Na + de creștere și metanogeneză, cum este măsurat transportul Na + în suspensiile celulare și cum este măsurată sinteza ATP, precum și hidroliza ATP.


    Comportamentul electronilor

    La nivel submolecular, motivul diferenței de niveluri de energie dintre reactanți și produși constă în configurațiile electronice. Atomii de hidrogen au câte un electron. Se combină în molecule a câte doi, astfel încât să poată împărtăși doi electroni (câte unul). Acest lucru se datorează faptului că învelișul de electroni cel mai interioară se află într-o stare de energie mai mică (și, prin urmare, mai stabilă) atunci când este ocupat de doi electroni. Atomii de oxigen au câte opt electroni. Se combină împreună în molecule a câte doi, împărțind patru electroni, astfel încât învelișurile lor de electroni cele mai exterioare sunt ocupate complet de opt electroni fiecare. Cu toate acestea, o aliniere mult mai stabilă a electronilor apare atunci când doi atomi de hidrogen împart un electron cu un atom de oxigen. Este nevoie doar de o cantitate mică de energie pentru a „locui” electronii reactanților din orbitele lor, astfel încât aceștia să se poată realinia în alinierea mai stabilă energetic, formând o nouă moleculă, H2O.


    Priveste filmarea: Biogaz Romania (Iunie 2022).


Comentarii:

  1. Macmaureadhaigh

    Cu siguranță, este corect

  2. Faejar

    Această idee excelentă este doar despre

  3. Zolora

    Cred că nu ai dreptate. Sunt sigur. Vom discuta despre asta. Scrie în pm.

  4. Arwyn

    Cred că ai greșit. Să încercăm să discutăm despre asta.



Scrie un mesaj