Innovatsioon vesiniku- ja taastuvenergeetikas: lahendused ja väljakutsed Enn Lust ja kaastöötajad enn.lust@ut.ee Tartu Ülikool Keemia Instituut Füüsikalise keemia ja rakenduselektrokeemia õppetoolid Ettekanne: Chemicum, 08. okt. 2018 a.
U.S. Energy Information Administration projects 48% increase in world energy consumption by 2040 https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=26212
CO 2 production highest per person in EU in tonnes: Oil shale electricity and oil shale oil production industry! Russia: 12.65 Canada: 14.14 USA: 17.02 Saudi Arabia: 18.07 Oman: 20.2 United Arab Emirates: 20.43 Kuwait: 28.1 Qatar: 44.2 https://en.actualitix.com/country/wld/co2-emissions-per-capita.php 2017. -- 1.02 kg CO 2 per 1kWh electricity! Europa 0.39 kg/kwh! 2025.a Estonia: 0.37 kg/kwh but how?
Kasvuhoonegaaside tootmine maailmas
http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-4-ecology/44-climate-change/greenhousegases.html
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
Euroopa iga liikmesriik peab 2030. aastaks vähendama CO 2 heitmeid vastavalt suhtelisele jõukusele (võrreldes 2005. aasta emissiooniga). http://www.err.ee/638486/raskelt-sundinud-kliimalepped-euroopa-puuab-rohkem-siduda-javahem-heita
Eestis taastuvenergiad 2014. 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
B. Pivovar, N. Rustagi, S. Satyapal, Interface Vol. 27, No. 1, Spring 2018, pp. 47 ; Toodetakse 70 miljonit tonni aastas
Euroopa komisjoni ja European Transport Researc Arena (13-20. aprill, Viin) eesmärgid! Vähendada CO 2 tootmist 50-60 % aastaks 2050. a; Liikuda süsinikuvaba transpordi ja tööstuse suunas. Selleks: Vähendada fossiilkütusete (süsinikku sisaldavate) osakaalu maismaatranspordis 60-80 % võrra (2050. a) ( 2030. a 25-35 %). 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 30-50 %. Võtta kasutusele vesinik ja patareid! Töötada välja logistilised lahendused raudtee- ja meretranspordi internetipõhiseks ajasäästlikuks opereerimiseks. Luua logistika maantee- ja raudteetranspordi ühildamiseks.
Euroopa komisjoni ja European Transport Arena (13-20. aprill, Viin) eesmärgid! Lõpetada diiselmootoritega autode tootmine 2030. a ja bensiinimootoritega autode (ka veoautod) tootmine 2040-2050. 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!
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.
Elektrolüüseri kasutatavus elektrienergia kiireks salvestamiseks 1 kg vesinikku 33,5 kwh elektrit
Erinevate kütuste gravimeetrilised ja ruumalalised energiatihedused Energiatihedus (MJ/dm 3 )
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
Erinevad elektrienergia salvestamise võimalused
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.
Erinevate energiaallikate Ragone graafikud
Fuel cells, W.Ostwald, 1896. 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
S. Sepp et al.
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-16-4296. S. Sepp, J. Nerut, K. Vaarmets, R. Kanarbik, I. Tallo, H. Kurig, E. Lust, ECS Trans. 75 (14) (2016) 789-799. K. Vaarmets, S. Sepp, J. Nerut, E. Lust, ECS Trans. 75 (14) (2016) 899-911.
AS Elcogen 1kW SOFC Alustatud koostöös TÜ keemia instituudiga 2001. 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.
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
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 2016. In fiscal 2016, the number of fuel cell vehicles in use amounted to approximately 195 thousand, up from about three thousand vehicles in 2009. https://www.statista.com/statistics/749277/japan-total-number-fuel-cell-vehicles/
https://energy.gov/sites/prod/files/doe_cms_2011_summary.pdf
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.
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.
S.D. Vora et al., ECS Trans. 78 (2017) 3-19
Vesiniku elektrolüüserid (Proton OnSite), mis suudavad toota 60 kg H 2 päevas Elektrolüüseri moodul Elektrivõimsuse juhtmoodul
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 10-120% 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)
Tabbi Wilberforce et al., Int. J. Hdrogen Energy 42 (2017) 25695-25734 Fig. 4. Various classifications of a vehicle [2].
kwh/tonn kwh /m3 Kütuste energiasisaldus massi- ja ruumalaühiku kohta 40000 Bensiin, 33500 Vesinik Maagaas kütteõli Kivisüsi Metanool Patarei 33500 13800 12000 8150 5450 10 30000 20000 10000 0 13800 12000 Vesinik Maagaas Bensiin, kütteõli 8150 5450 10 Kivisüsi Metanool Patarei 14000 12000 10000 8000 Vesinik Maagaas Bensiin, (200 bar) Vesinik (vemaagaas ( (vedel) kütteõli Kivisüsi 5800 Metanool Patarei 6000 600 2380 2000 5800 11000 12000 4300 100 4000 2000 0 600 Vesinik (200 bar) 2380 2000 Vesinik (vedel) Maagaas (200 bar) Maagaas (vedel) 11000 Bensiin, kütteõli 12000 4300 100 Kivisüsi Metanool Patarei
Vesiniku ja bensiini energia muundamise efektiivsuse võrdlus
https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/h2in_watanabe_2014_o.pdf
California Hydrogen and Fuel Cell Vehicle Roadmap Project
Kasvuhoonegaaside emissioon transpordis eri kütuste korral kogu tarneahela kohta (nt. alates toornafta pumpamisest puurkaevust kuni tarbimiseni)
https://www.theicct.org/sites/default/files/publications/hydrogen-infrastructure-status-update_icct-briefing_04102017_vf.pdf
Vesiniku säilitamise võimalused
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 2019. 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. http://solarhydrogeninc.com/tag/solar-hydrogen/
https://energy.gov/sites/prod/files/2017/10/f37/fcto_2016_market_report.pdf
6 kg vesinikku maksab 18,99 USD
46 tk 100 tk http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/jrc103586/4%20int%20workshop%20on%20h2%20infra%20final%20pdfonline.pdf
https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/h2in_watanabe_2014_o.pdf
S.D. Vora et al., ECS Trans. 78 (2017) 3-19
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) 17101 17110.
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) 398 403.
U. Bünger et al., Chem. Ing. Tech. 2018, 90, No. 1 2, 113 126
USA senti / kwh Prognoos erinevate energiaalaliikide hinna kohta USA-s 100 90 80 70 60 50 Fotoelektriline energia Päiksereaktori energia Tuuleenergia Biomassi energia Geotermiline energia 40 30 20 10 0 1980 1990 2000 2010 2020 Prognoositakse seni väga kallite fotoelektriliste meetodite, päikesereaktorite ja tuulegeneraatorite abil toodetud energia maksumuse olulist vähenemist.
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).
100% renewable energy for 139 nations detailed in Stanford report https://c1cleantechnicacom-wpengine.netdna-ssl.com/files/2017/08/100-renewable-energy-139-countries.png
Tänuavaldused Uuringuid on toetanud: Eesti tippkeskus TK 141, Eesti energiatehnoloogia projekt (3.2.0501.10-0015), materjalitehnoloogia projekt (3.2.1101.12-0019), NAMUR (3.2.0601.11-0001), Eesti institutsionaalne uurimistoetus IUT20 13