Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells

More documents

Recommendations

Info

k J ∆H = −Q k J mol KAPITEL 3. SOEC-TEKNOLOGI (3.12) hvor ∆H er ændringen i entalpi mol , -Q er den varme (J) processen optager fra omgivelserne. Det fremgår ved minuset foran Q, at processen er endoterm, da en endoterm process ikke afgiver varme til omgivelserne. Q er også givet ved T ·∆S og kaldes Joule-varme. Entalpiændringerne ved en proces kan ses som varmeudvekslingen i processen. Ved senere beregninger i afsnit A.2 bruges følgende definition på ∆H: k J ∆H = ∆Hpr odukt − ∆Hr eakt ant (3.13) mol 3.5.2 Elektrokemisk energiomsætning Når der arbejdes med elektrokemisk energiomsætning, er det svært at definere den mængde energi den kemiske proces omsætter til elektrisk energi, som det er tilfældet ved elektrolyseceller [Steven og Zumdahl, 2007]. Ved at betragte termodynamikken, vil problematikken kunne forklares. Det kemiske arbejde ved en elektrokemisk energiomsætning er defineret ved den termodynamiske tilstandfunktion: • Gibbs fri energi: G = H − T ·S k J mol (3.14) k J J hvor G er Gibbs fri energi mol , T er temperaturen i Kelvin [K] og S er entropien K . Entropien udregnes ved følgende definition: hvor ∆Suni ver s = ∆Ss y stem − ∆Somg i vel ser ∆Somg i vel ser = − ∆H T k J K k J K (3.15) (3.16) I det følgende vil tilstandsfunktion 3.14 blive betragtet. Ændringen i kemisk energi med udgangspunkt i tilstandsfunktion i ligning 3.14 er: ∆G = ∆H − (T ·S1 − S2 ·T ) k J hvor S1 og S2 angiver, at det er entropien ved to forskellige tilstande. Entropi har enheden derved et mål for molekylær uorden for et system. mol (3.17) k J K , og er I det tilfælde, hvor entropien for et system stiger, vil den energi, der er tilrådighed ved processens afslutning, være af lavere kvalitet. Det skyldes, at det vil kræve tilførsel af en ydre påvirkning for at få energien tilbage til starttilstanden. Hvis entropien tilgengæld falder, vil entropien stige tilsvarende et andet sted i universet. Dette er forårsaget af termodynamikkens 2. hovedsætning, der udtrykkes som: ∆Suni ver s ≥ 0 (3.18) Det ses heraf, at væksten i entropi samlet set altid er positiv. Er ∆S = 0, betyder det, at systemer er i perfekt orden. På denne baggrund har 2. hovedsætning betydning for systemets virkningsgrad, og siger, at energi har en kvalitet så vel som kvantitet. 30
3.5. TERMODYNAMIK I SOEC Da energiomsætningen i SOEC’en ved steady state, sker ved en isoterm- og isobarproces. Heraf fås følgende ligning til at beskrive ændringen i Gibbs fri energi: ∆G = ∆H − T ·∆S som ved standardtilstanden mærkes med et o som: ∆G o = ∆H o − T ·∆S o k J mol k J mol (3.19) (3.20) hvor ∆H (entalpiændringen) er lig den numeriske mængde udviklet varme ved processen, T·S er Joule-varmen, standarttilstanden er ved 25 ◦ C og 1 atm. Ligningen kaldes Gibbs-Helmholtzligningen. Det fremgår af ligningen 3.20 at ændringen i entropi og entalpi er vejen til at beregne ændringen i den kemiske energi. I den henseende er det vigtigt at definere, hvad der gælder for ∆G ved forskellige typer processer: • Frivilligt løbende, dvs. en spontan proces: ∆G < 0 , som f.eks. ved brændselsceller, • I ligevægt, dvs. en ikke spontan process: ∆G = 0. • Ikke frivilligt løbende, dvs processen startes ved tilførsel af varme, ∆G > 0, som f.eks. ved elektrolyseprocesser (SOEC). Når ∆G>0 skal der tilføres varme, for at processen startes. Det gøres ved at påføre SOEC’en en spænding, der som udgangspunkt er 1,29 V for H2O-elektrolyse og 1,48 V for CO2-elektrolyse. Ved elektrolyse af en blanding af H2O og CO2 vil ET n ligge mellem 1,29-1,48 V afhængigt af forholdet mellem H2O og CO2. 3.5.3 Termisk ligevægtsspænding Den termiske ligevægtsspænding ɛ o er bestemt ved den Gibbs fri energi, og er derfor afhængig af både tryk og temperatur. ɛ o er defineret, når strømbelastningen er lig 0. Overføres elektroner fra 1 mol af et stof ved en kemisk proces, fås ligning 3.21, som kan benyttes på enhver redoxproces. hvor ∆G er givet ved: ∆G = −n ·F ·ɛ o ⇒ ɛ o = ∆G −n ·F k J mol ∆G = ∆Gr ed2 + ∆Gox1 − (∆Gox2 + ∆Gr ed1 ) som er den samlede mængde krævet elektrisk energi. 3.5.4 Nernst ligning (3.21) [V ] (3.22) k J mol (3.23) SOEC er en elektrokemisk celle og består af to halvceller, hvor de 2 halvreaktioner forløber. Når begge halvdele er i ligevægt er spændingen = ɛ o . Cellens spænding kan ved ikke ligevægt beregnes ved Nernst lov, hvorved man får et udtryk for ET n. Nernst lov sammenholder elektrodeligevægtene for de to halvreaktioner i elektrolysen. Her nævnes 3 måder at præsentere Nernst lov ved ET n: ET n = ∆H ∆G T ·∆S ≡ + n ·F n ·F n ·F 31 [V ] (3.24)
Page 1: Energikonvertering ved Solid Oxide
Page 5: Forord Denne rapport er udarbejdet
Page 8 and 9: - forsat fra foregående side Symbo
Page 10 and 11: INDHOLDSFORTEGNELSE 7 Konklusion 79
Page 12 and 13: eguleres. Der er derfor lagrings- o
Page 14 and 15: KAPITEL 1. INDLEDNING kan indgå i
Page 16 and 17: KAPITEL 1. INDLEDNING mulere flere
Page 19 and 20: Kapitel 3 SOEC-teknologi Som muligh
Page 21 and 22: 3.3. ELEKTROLYSE AF KULDIOXID OG VA
Page 27 and 28: 3.4. ELEKTRISK MODSTAND I CELLEN 3.
Page 29: 3.5. TERMODYNAMIK I SOEC Tabel 3.2:
Page 33 and 34: 3.6. VIRKNINGSGRADER kan distrueres
Page 35 and 36: 3.7. ANVENDELSE AF ELEKTROLYSEPRODU
Page 37 and 38: 3.7. ANVENDELSE AF ELEKTROLYSEPRODU
Page 39 and 40: Kapitel 4 SOEC-anlæg I dette afsni
Page 41 and 42: 4.1. OPBYGNING AF SOEC-ANLÆG Ved (
Page 43 and 44: 4.2. PRODUKTIONSPRIS FOR BRINT Figu
Page 45 and 46: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID • D
Page 47 and 48: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID Dette
Page 49 and 50: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID hvor
Page 51 and 52: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID 4.3.1
Page 53 and 54: 4.3. BEREGNING AF OPSTARTSTID Af fi
Page 55 and 56: 4.4. ELEKTRISK ENERGIKONVERTERING T
Page 57 and 58: 4.4. ELEKTRISK ENERGIKONVERTERING i
Page 59 and 60: Kapitel 5 Modellering af SOEC Dette
Page 61 and 62: 5.3. MODEL FOR ELNETTET 5.3 Model f
Page 63 and 64: 5.3. MODEL FOR ELNETTET I den førs
Page 65 and 66: 5.4. MODEL AF SOEC-ANLÆG 5.4.1 Opb
Page 67 and 68: 5.4. MODEL AF SOEC-ANLÆG Figur 5.8
Page 69 and 70: 5.4. MODEL AF SOEC-ANLÆG ved en ma
Page 71 and 72: 5.6. SYSTEMVIRKNINGSGRAD Det ses fr
Page 73 and 74: Kapitel 6 Økonomisk betragtning Ø
Page 75 and 76: 6.2. INDTÆGTER fra 15 ◦C til 400
Page 77 and 78: 6.4. RESULTATDISKUSSION Ud fra form
Page 79 and 80: Kapitel 7 Konklusion I rapportens i
Page 81 and 82:
Kapitel 8 Perspektivering I 1960’
Page 83:
8.2. PLACERING Tabel 8.1: Fordele o
Page 86 and 87:
Energistyrelsen 1 [2008]. Elprodukt
Page 88 and 89:
LITTERATUR Steele [2000]. Steele, B
Page 90 and 91:
v_stack = 0.0158 m^3 A.1.3 Densitet
Page 92 and 93:
A. APPENDIKS - BEREGNINGER %Effektt
Page 94 and 95:
A.2 Udregninger af ∆H i EES Figur
Page 97 and 98:
B Appendiks - Supplerende materiale
Page 99 and 100:
B.1. SOFC B.1.2 Cellernes reaktion
Page 101 and 102:
B.2. METANOLBRÆNDSELSCELLER B.2 Me
Page 103:
B.3. HÅNDTERING AF STOFFER B.3 Hå
show all

Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?