MAGAZYNOWANIE
ENERGII
4 WYKORZYSTANIE CIEPŁA REAKCJI CHEMICZNYCH
MAGAZYNOWANIE
ENERGII
4 WYKORZYSTANIE CIEPŁA REAKCJI CHEMICZNYCH
AKUMULACJA ENERGII TERMICZNEJ
Już w starożytnym Egipcie odpowiednio ukształtowane kanały w ścianach
pozwalały na pasywne ogrzewanie znajdującego się w nich powietrza
energią słoneczną w ciągu dnia i oddawanie energii w ciągu nocy.
PODSTAWOWE METODY
PODSTAWOWE METODY
AKUMULACJI ENERGII TERMICZNEJ
wykorzystanie ciepła
właściwego substancji
wykorzystanie entalpii
przemian fazowych
wykorzystanie ciepła
reakcji chemicznych
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
W tym sposobie magazynowania energii termicznej wykorzystuje się:
odwracalne reakcje chemiczne
,
reakcje, w efekcie których powstanie paliwo.
Zastosowanie reakcji chemicznych
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
Substrat + Ciepło
Produkt
Mechanizm magazynowania ciepła w wyniku reakcji chemicznej
odwracalnej:
ładowanie
r. endotermiczna
r. egzotermiczna
rozładowanie
W czasie endotermicznej reakcji chemicznej dostarczana energia
cieplna ulega konwersji na energię chemiczną magazynowaną w
produkcie/produktach reakcji. Energie odzyskuje się w reakcji
odwrotnej.
Zmiany entalpii w reakcjach chemicznych są zazwyczaj dużo
większe niż zmiany entalpii w przemianach fazowych. Gęstość
energii może sięgać 2
.
10
6
kJ/m
3
.
rozładowanie
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Zestawienie reakcji chemicznych będących przedmiotem badań w kierunku
możliwości magazynowania energii.
Reakcja chemiczna
∆
H
o
w kJ/mol
T*=
∆
H
o
/
∆
S
o
w K
CaCo
3
(s)
⇔
CaO(s)+CO
2
(g)
2SO
3
(g)
⇔
2SO
2
(g)+O
2
(g)
Ba(OH)2(g)
⇔
2BaO(g)+2H2(g)
178,3
198,9
77,3
1110
1040
1029
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
Ba(OH)2(g)
⇔
2BaO(g)+2H2(g)
CO2(g)+CH4(g)
⇔
2CO(g)+2H2(g)
Ca(OH)2(s)
⇔
CaO(s)+H2O(g)
NH4HSO4(c)
⇔
NH3(g)+SO3(g)+H2O(g)
C6H12(g)
⇔
C6H6(g) +3H2
Mg(OH)2(s)
⇔
MgO(s)+H2O(g)
2NH3(g)
⇔
N2(g)+3H2(g)
77,3
274,4
109,9
336,9
206,2
81,2
92,2
1029
960
752
740
568
531
466
∆
H
o
standardowa zmiana entalpii
T*standardowa temperatura
Jeżeli T*<T zachodzi reakcja endotermiczna
Jeżeli T*>T zachodzi reakcja egzotermiczna
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Szczególnym przepadkiem magazynowania energii w odwracalnej reakcji
chemicznej jest tworzenie wodorków metali (reakcja uwodornienia):
wodorek metalu H +metal
r. endotermiczna
ładowanie
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
wodorek metalu H
2
+metal
r. egzotermiczna
rozładowanie
Pomimo małego stężenia wodoru (2-8% mas.) gęstość magazynu może być
znaczna i np. dla MgH2 wynosi od 3-11 MJ/kg (w zależności od ilości wodoru).
Wodór z wodorków może być uwalniany w zakresie od 80
o
C (wodorek TiCr
2
)
do 600
o
C (wodorek Mg).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wady i zalety stosowania odwracalnych reakcji chemicznych w celu
magazynowania energii termicznej:
substraty i produkty mogą mieć różne stany skupienia co należy uwzględnić
przy projektowaniu danego układu,
produkty reakcji mogą zostać schłodzone (jeśli reakcja przebiega w
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
podwyższonej temperaturze),
produkty reakcji endotermicznej mogą (zależnie od typu reakcji) wymagać
odseparowania np. w przypadku możliwości zajścia reakcji egzotermicznej bez
katalizatora),
produkty reakcji endotermicznej mogą być transportowane (np. rurociągiem)
na duże odległości w celu uzyskiwania ciepła tam, gdzie jest ono potrzebne,
wysokie koszty i złożoność układów magazynowych,
układy raczej przeznaczone do długoterminowego magazynowania energii ze
względu na ograniczoną liczbę cykli ładowania i rozładowania,
możliwość transportu zmagazynowanej energii na większe odległości (niż np.
za pomocą ciepłociągów).
Substrat + Ciepło Produkt
Mechanizm magazynowania ciepła w wyniku reakcji chemicznej
w celu wytworzenia paliwa:
Wykorzystanie reakcji chemicznych w celu produkcji paliwa
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Powstały produkt musi być
substancją palną.
Substrat+ O
2
Produkty spalania
Najczęściej rozpatrywanym
produktem jest
wodór
,
jednak mogą to być inne
substancje np. CH
4
(metan).
W chwili obecnej stosowanych jest wiele metod produkcji wodoru,
w tym kilka chemicznych i elektrochemicznych. Najprostsza (ale
tylko w zapisie!) jest reakcja wydzielania wodoru z wody
(rozkład wody):
Chemiczna i elektrochemiczna produkcja wodoru
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
1
H O
H
O
→
+
Wytwarzanie wodoru z wody jest uważane za
jedyną metodę, która w przyszłości umożliwi
zastosowanie wodoru w energetyce.
2
2
2
1
H O
H
O
2
→
+
Przeprowadzenie tej reakcji termochemicznej (tylko z
doprowadzanie ciepła do procesu) jest możliwe w temperaturze
5177°C i z zastosowanie specjalnych membran pozwalających
na rozdzielenie produktów reakcji.
Natomiast przeprowadzenie reakcji:
Chemiczna i elektrochemiczna produkcja wodoru
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
2
2
2
1
H O
H
O
2
→
+
w warunkach normalnych (T=298 K, p=0,101 MPa) wymaga
doprowadzenia pracy równej 228,71 kJ/mol oraz ciepła 13,211
kJ/mol.
Niezbędna praca może zostać doprowadzona w formie energii
elektrycznej w elektrolizerze, stąd minimalna teoretyczna
wielkość energii elektrycznej do produkcji 1nm
3
wodoru wyniesie
2,836 kWh.
Chemiczna i elektrochemiczna produkcja wodoru
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Aby ominąć wcześniej wspomniane trudności, można stosować
do rozkładu wody cykle cieplno-chemiczne. Istotą tego typu
cykli jest wprowadzenie do reakcji substancji pośrednich, które
na końcu cyklu są odzyskiwane w stanie początkowym
Cyklom takim stawia się dwa zasadnicze warunki:
reagenty , wybierane jako substancje pośrednie nie powinny
wymagać wysokich temperatur do zajścia reakcji;
Produkty reakcji powinny zawierać tylko jeden składnik gazowy
aby uniknąć stosowania urządzeń potrzebnych do rozdzielania
substancji (w szczególności błon półprzepuszczalnych).
Cykle cieplno-chemiczne umożliwiające wytwarzanie wodoru –
cykl żelazo-parowy
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Cykl żelazo-parowy jest najprostszym z obiegów (cykli) cieplno – chemicznych
umożliwiających produkcję wodór.
Składa się z dwóch faz (etapów):
1
Etap I
1 mol Fe
3
O
4
jest podgrzewany od temperatury T
ot
do temperatury 2100 K . W
tej temperaturze następuje rozkład Fe
3
O
4
zgodnie z reakcją:
2
4
3
O
2
1
FeO
3
O
Fe
+
→
Powstały tlen jest schładzany do temperatury T
ot
a FeO do temperatury 900 K.
W etapie II
podgrzana do temperatury 900 K para wodna reaguje z FeO zgodnie z
reakcją:
2
4
3
2
H
O
Fe
O
H
FeO
+
→
+
Następnie oba reagenty są schładzane do T
ot
co zamyka cykl.
Cykl ten może być
również stosowany do
produkcji tlenu.
Cykl cieplno-elektrochemiczne umożliwiające wytwarzanie wodoru –
cykl Mark 11 (Westinghouse Sulphur Cycle)
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
odparowanie
kwasu siarkowego
2
4
H SO
doprowadzenie ciepła
wydzielenie tlenu
2
4
2
2
2
1
H SO
H O SO
O
2
→
+
+
2
H O
2
4
H SO
doprowadzenie ciepła (1070K)
elektrolizer
2
2
2
4
2
2H O SO
H SO
H
+
→
+
prąd stały
+
-
2
4
H SO
2
H
2
2
H O
2
SO
2
O
separacja tlenu
2
H O
2
O
2
H O
2
SO
membrana
nieorganiczna
Cykl cieplno-elektrochemiczne umożliwiające wytwarzanie wodoru –
tzw. reakcja Bunsena
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
2
H
2
SO
2
O
2
H O
wydzielenie
2
I
2
4
H SO
doprowadzenie
ciepła (850-950
o
C)
wydzielenie
wodoru
2
2
2HI
I
H
→ +
2HI
450
o
C
2
2
2
2
4
SO
2H O
I
H SO
2HI
+
+ →
+
2
4
2
2
2
1
H SO
H O SO
O
2
→
+
+
120
o
C