Power to Gas

Väljavõte

1 Innovatsioon vesiniku- ja taastuvenergeetikas: lahendused ja väljakutsed Enn Lust ja kaastöötajad Tartu Ülikool Keemia Instituut Füüsikalise keemia ja rakenduselektrokeemia õppetoolid Ettekanne: Chemicum, 08. okt a.

2 U.S. Energy Information Administration projects 48% increase in world energy consumption by

3 CO 2 production highest per person in EU in tonnes: Oil shale electricity and oil shale oil production industry! Russia: Canada: USA: Saudi Arabia: Oman: 20.2 United Arab Emirates: Kuwait: 28.1 Qatar: kg CO 2 per 1kWh electricity! Europa 0.39 kg/kwh! 2025.a Estonia: 0.37 kg/kwh but how?

4 Kasvuhoonegaaside tootmine maailmas

5

6 ttp://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/file:final_energy_consumption,_eu- 8,_2015_(%25_of_total,_based_on_tonnes_of_oil_equivalent)_YB17.png

7 Euroopa iga liikmesriik peab aastaks vähendama CO 2 heitmeid vastavalt suhtelisele jõukusele (võrreldes aasta emissiooniga).

8 Eestis taastuvenergiad aastal Σ 24,8% kokku 13,2% taastuvatest (tuul) 0,24% transport (EU kohustus 5.0%. Selle puudujäägi kompenseerimiseks võeti kasutusele dotatsioonid biogaasile, mis on turgu solkiv tegevus!). Tuuleenergia 302,7 MW Biomass 86,45 MW Elektri väiketootmine 3,31 MW Eleringi andmed: 52% biomass 40% tuul (osadel päevadel/kellaaegadel väga odav elekter börsil!). Sõltumatute elektritootjate investeeringud: 606 M Eesti Energia investeeringud 155 M NB! Tuuleenergia kasv vähendab Nordpool is elektrihinda jõudsalt

9 B. Pivovar, N. Rustagi, S. Satyapal, Interface Vol. 27, No. 1, Spring 2018, pp. 47 ; Toodetakse 70 miljonit tonni aastas

10 Euroopa komisjoni ja European Transport Researc Arena ( aprill, Viin) eesmärgid! Vähendada CO 2 tootmist % aastaks a; Liikuda süsinikuvaba transpordi ja tööstuse suunas. Selleks: Vähendada fossiilkütusete (süsinikku sisaldavate) osakaalu maismaatranspordis % võrra (2050. a) ( a %). Vähendada meretranspordi CO 2 heitmeid 50-70%. CO 2, SOx, NOx, VOC ja süsiniku jt. nanoosakesed koguda kokku juba laevadel. Vähendada raudteetranspordi CO 2 heitmeid 80-90%, alustada vajadusel CO2, NOx, SOx ning VOC ja süsiniku nanoos. kogumist. Lennunduses vähendada süsinikuheitmeid %. Võtta kasutusele vesinik ja patareid! Töötada välja logistilised lahendused raudtee- ja meretranspordi internetipõhiseks ajasäästlikuks opereerimiseks. Luua logistika maantee- ja raudteetranspordi ühildamiseks.

11 Euroopa komisjoni ja European Transport Arena ( aprill, Viin) eesmärgid! Lõpetada diiselmootoritega autode tootmine a ja bensiinimootoritega autode (ka veoautod) tootmine a (k.a etanooli, loodusliku ja biogaasi ning biodiisli mootorid). Koostada ja võtta kasutusele logistilised lahendused linnatranspordi arendamiseks. Ühitada linna (metroo, elektriline transport) ja linnalähedase transpordi graafikud. Viia ühiskondlik transport üle vesiniku ja elektritoitele (võrgud, patareid, superkondensaatorid). Soodustada nn asumipõhist planeerimist (lisaks elamisele ka töökohad, koolid, lasteaiad, kauplused) ja vältida supermarketite edasist linnast väljaviimist (või ühendada need elektritranspordiga). Soodustada internetitöökohtade loomist ja hajutada superbürood asumitesse; Soodustada jalgrattaga ja jalgsi liikumist, luues turvakoridorid. Kui vaja, siis muuta motoriseeritud ühisliikluse skeeme!

12 H 2 O-st on võimalik H 2 toota erinevate meetoditega 1) Elektrolüüs 2) Keemiliselt toestatud elektrolüüs, kasutades nn kütuseid (sageli C) hapnikuelektroodi poolel. Selline C lisamine võimaldab vähendada elektrienergia kulu ja alandab H 2 omahinda. 3) Radiolüüs (H 2 O kiiritamine näiteks ära kasutatud tuumareaktorite kütustega). Loodusest tuntud efekt Lõuna-Aafrika kullakaevanduses. 4) Termolüüs. T 2500 C H 2 O laguneb otseselt H 2 ja O 2 -ks. T 2500 C on vajalikud d- metallkatalüsaatorid. 5) Termokeemilised tsüklid: Väävel - jood (S-I) tsükkel T = 950 C saagis 50% H 2, I 2 ja polümeriseerunud väävel. Väävel ja I 2 on korduvalt kasutatavad. Vase kloriid-iooni tsükkel T = 530 C, saagis 43% H 2. Raua-räni meetod (sõjaväes kasutusel, NaOH, Fe 4 Si 3, H 2 O) Fe 4 Si 3 + NaOH segatakse ballooni, hiljem lisatakse H 2 O. T 200 C ja tekib H 2 + H 2 O aur. 6) Fotobioloogiline H 2 tootmine. Kasutatakse erinevaid vetikaid reaktoris. 7) Fotokatalüütiline H 2 O lagundamine, vajalikud fotokatalüsaatorid (neid on väga erinevaid). 8) Biovesiniku meetod (biomass ja orgaanilised jäätmed lagundatakse gasifitseerimisel, H 2 O reformimisel, bioloogilised ja biokatalüütilised protsessid. 9) Fermentatiivne H 2 tootmine (kas valguse käes või ka pimedas) vetikate abil, kaudse biofotolüüsi abil, kasutades tsüanobaktereid, fotofermentatsiooni, anaeroobseid fotosünteesivaid baktereid, pimedas fermentatsiooni jne. 10) Rakuvaba sünteetiline ensümaatiline biomuundamise rada (SyPaB) ehk glükoosi oksüdeerimine H 2 O kui oksüdeerijaga (2007); see reaktsioon neelab keskkonnast hajutatud soojust (2009). Töötati välja ka tselluloosist H 2 tootmismeetod. 11) Biokatalüütiline elektrolüüs (elektrolüüs mikroobide abil), mida kasutatakse mikroobkütuseelemendis.

13 Elektrolüüseri kasutatavus elektrienergia kiireks salvestamiseks 1 kg vesinikku 33,5 kwh elektrit

14 Erinevate kütuste gravimeetrilised ja ruumalalised energiatihedused Energiatihedus (MJ/dm 3 )

15 Wind and solar energy storage and generation complex E Estonia total:1.9gw Capacitor (Skeleton, NT Bene) Li-ion and Na-ion batteries E Electrolyser Synthetic fuel synthesis reactor H 2 H 2 H 2 storage SOFC (Elcogen); MCFC PEMFC; SOFC Q E

16

17

18 Erinevad elektrienergia salvestamise võimalused

19 Energiamuundurite kasuteguri olenevus nimivõimsusest 1 kõrgtemperatuursed aluselise elektrolüüdiga kütuseelemendid 2 madaltemperatuursed kütuseelemendid 3 diiselmootorid 4 ottomootorid (bensiin) 5 auru- ja gaasiturbiinid T. Risthein, Sissejuhatus energiatehnikasse, Kirj. Elektriajam, Tallinn, 2007.

20 Erinevate energiaallikate Ragone graafikud

21 Fuel cells, W.Ostwald, Associated prof. at Univ.Tartu ΔE 0 = ΔG/nF = ( RT / nf) ln Ka ΔG = ΔH TΔS H 2 O 2 Fuel cell die Brennstoffzelle Toпливний элемент H 2 O + elekter

22 S. Sepp et al.

23 The time stability of catalyst materials Change of relative electrochemical surface area ECA, Lifetime tests of PEMFC single cells mass activity MA and specific activity SA in time at constant current 0.5 M H 2 SO 4 solution, saturated with N 2 or O 2 S. Sepp, K. Vaarmets, J. Nerut, I. Tallo, E. Tee, H. Kurig, J. Aruväli, R. Kanarbik, E. Lust, J Solid State Electrochem. (2016) online. K. Vaarmets, J. Nerut, S. Sepp, R. Kanarbik, E. Lust, J. Electrochem. Soc. (2016) Submitted JESP S. Sepp, J. Nerut, K. Vaarmets, R. Kanarbik, I. Tallo, H. Kurig, E. Lust, ECS Trans. 75 (14) (2016) K. Vaarmets, S. Sepp, J. Nerut, E. Lust, ECS Trans. 75 (14) (2016)

24 AS Elcogen 1kW SOFC Alustatud koostöös TÜ keemia instituudiga aastal (patendid USA 2005, EL 2005, Vene Föd.2006, jne). Horizon 2020 Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaken (FCHU II) ekspertide andmetel on tegemist kõige kõrgema energiatihedusega SOFC süsteemiga, mida toodetakse ELs.

25 SOFC power systems (hardware demonstrators, prototypes and precommercial systems up to 200 kw, concepts at 1MW and above) Q. Nguyen, M.B. Mogensen, The Electrochemical Society, Interface, Vol. 22, No. 4 (2013) p. 55

26 Total number of fuel cell vehicles in use (SOFC and PEFC) in Japan in fiscal years 2009 to 2016 (in 1,000s) The statistic shows the total number of fuel cell vehicles in use (SOFC and PEFC) in Japan in fiscal years 2009 to In fiscal 2016, the number of fuel cell vehicles in use amounted to approximately 195 thousand, up from about three thousand vehicles in

27

28 Joonis 1.4 Elementide suhteline sisaldus maakoores ja sõltuvus aatomi järjenumbrist. Kõige haruldasemad elemendid (kollane ala) ei ole ilmtingimata kõige raskemad vaid on laamade liikumise tõttu liikunud sügavamale maa põude. Selenium ja Telluur on maa koorest lenduvate hüdriididena kadunud.

29

30

31 Typical ranges of polarization curves for different types of state-of-the-art water electrolysis cells. E th,water and E th,steam are the thermoneutral voltages for water and steam electrolysis, respectively. E rev is the reversible potential for water electrolysis at standard state. C. Graves, S. D. Ebbesen, M. Mogensen, K. S. Lackner, Renew. & Sust. Energy Rev. 15 (2011) 1 23.

32 S.D. Vora et al., ECS Trans. 78 (2017) 3-19

33 Vesiniku elektrolüüserid (Proton OnSite), mis suudavad toota 60 kg H 2 päevas Elektrolüüseri moodul Elektrivõimsuse juhtmoodul

34 PEM elektrolüüser, mis töötab 30 bar (Hz) rõhu all GHW on välja töötatud 500 kw el, 30 bar rõhul leeliselise PME (pressure module electrolyzer) elektrolüüseri Võimaldab väga kiiret (sekund minut) koormuste vaheldumist (võib töötada % nominaalväärtuse vahemikus) 1MW suurune moodul mahub ära alla 1 m 2 suurusele pinnale 1 Nm 3 H 2 tootmiseks kulub 4 kw elektrit (umbes 45 kw elektrit 1 kg H 2 tootmiseks)

35 Tabbi Wilberforce et al., Int. J. Hdrogen Energy 42 (2017) Fig. 4. Various classifications of a vehicle [2].

36 kwh/tonn kwh /m3 Kütuste energiasisaldus massi- ja ruumalaühiku kohta Bensiin, Vesinik Maagaas kütteõli Kivisüsi Metanool Patarei Vesinik Maagaas Bensiin, kütteõli Kivisüsi Metanool Patarei Vesinik Maagaas Bensiin, (200 bar) Vesinik (vemaagaas ( (vedel) kütteõli Kivisüsi 5800 Metanool Patarei Vesinik (200 bar) Vesinik (vedel) Maagaas (200 bar) Maagaas (vedel) Bensiin, kütteõli Kivisüsi Metanool Patarei

37 Vesiniku ja bensiini energia muundamise efektiivsuse võrdlus

38

39 California Hydrogen and Fuel Cell Vehicle Roadmap Project

40 Kasvuhoonegaaside emissioon transpordis eri kütuste korral kogu tarneahela kohta (nt. alates toornafta pumpamisest puurkaevust kuni tarbimiseni)

41

42 Vesiniku säilitamise võimalused

43 Nikola also detailed plans for a North American network of hydrogen fueling stations to support the Nikola One trucks. The web of stations 56 are planned initially will eventually balloon to 364 stations. The first stations will start construction in January 2018 and begin opening in late Hydrogen fuel for the stations will come from solar hydrogen farms owned by Nikola, the company said. The farms are each expected to produce more than 100 megawatts of power using electrolysis and will allow the company more pricing flexibility without having to make long-term hedges against diesel, Milton said. Nikola also exhibited its 107-kilowatt-hour lithium battery pack, which is designed to give its Nikola Zero electric utility task vehicle more than 300 miles of range on a single charge. The company said the 1,000-pound, patent-pending battery can also be inserted into other vehicles starting next year.

44

45 6 kg vesinikku maksab 18,99 USD

46 46 tk 100 tk

47

48 S.D. Vora et al., ECS Trans. 78 (2017) 3-19

49

50 Sketch of a synthetic fuel production system based on a heat exchanger reactor coupled with high pressure co-electrolysis of H 2 O and CO 2. X. Sun, M. Chen, S. H. Jensen, S. D. Ebbesen, C. Graves, M. Mogensen, Int. J. Hydrogen Energy 37 (2012)

51 Diagram of co-electrolysis of CO 2 and H 2 O in a solid oxide cell, as part of a renewable fuel cycle:contract with Elering AS C. Graves et al. / Solid State Ionics 192 (2011)

52 U. Bünger et al., Chem. Ing. Tech. 2018, 90, No. 1 2,

53 USA senti / kwh Prognoos erinevate energiaalaliikide hinna kohta USA-s Fotoelektriline energia Päiksereaktori energia Tuuleenergia Biomassi energia Geotermiline energia Prognoositakse seni väga kallite fotoelektriliste meetodite, päikesereaktorite ja tuulegeneraatorite abil toodetud energia maksumuse olulist vähenemist.

54 Põhijäreldused ehk Euroopa eesmärgid 2050 aastaks Vesiniku kui kütuse massiline kasutamine nii tööstuses, transpordis kui ka individuaalelamutes ja asumites. Süsiniku asendamine redutseeriva agendina vesinikuga terase (15-25 %) haruldaste muldmetallide ja alumiinimumi tootmises (20-25%). Elektri genereerimine põhiliselt tuule ja päikeseenergia (PV ja CSP) abil. Elektri salvestusvõimsuste arendamine: vesiniku elektrolüüs ja redoks- ning erinevad suure mahtuvusega (ka superkondensaatorid) patareid. Energia interneti väljaarendamine ja ilmaennustuse arvestamine energiasalvestuse seadmete juhtimisel. Finantseerida baasuuringuid uute odavamate materjalide ja seadeldiste (suurem mahtuvus, pikem eluiga, suurem laadimis/tühjenemise tsüklite arv) loomiseks. Ringmajanduse kasutuselevõtu stsenaariumide väljatöötamine. Energiajulgeoleku tõstmine hajutatud energia (elektri) genereerimise ja salvestamise vahendusel. Luua seadusandlik baas nn energiaühistute loomiseks. (Väga populaarsed USAs).

55 100% renewable energy for 139 nations detailed in Stanford report

56 Tänuavaldused Uuringuid on toetanud: Eesti tippkeskus TK 141, Eesti energiatehnoloogia projekt ( ), materjalitehnoloogia projekt ( ), NAMUR ( ), Eesti institutsionaalne uurimistoetus IUT20 13