Energikonvertering ved Solid Oxide Electrolyser Cells

More documents

Recommendations

Info

4.1.1 Input KAPITEL 4. SOEC-ANLÆG Vandet der skal bruges til processen, kan tappes direke fra hanen, og skal igennem et rensningsanlæg. Rensningen er nødvendig for at undgå ioner, kalk og andre urenheder, der kan forurene eller helt stoppe systemet og de enkelte fødekanaler i stakken. Forurenet vand forringer stakkens levetid. Rensning af vand kan f.eks. ske vha. destillation eller med et omvendt osmosefilter. Det vil sige, det rene vand tvinges igennem en membran, mens urenhederne bliver tilbage. Destillationen kan foregå for sig selv, eller kobles sammen med anlæggets varmeveksler. Herved fordampes vandet under opvarmningen til driftstemperaturen på ca. 850 ◦ C, se figur 4.1. Risø DTU har kun anvendt et omvendt osmosefilter i deres forsøg, hvilket ikke har skabt problemer [Jensen 3, 2008]. Kuldioxid skal ligeledes være renset for urenheder. Rensning af kuldioxiden skal tilpasses kilden, hvorfra det kommer. I rapporten [Jensen et al., 2008, s. 92] beskrives, hvordan CO2 indfanges direkte fra luften udnyttes til elekrolyse. Indfangningen af CO2 danner grundlag for beregningen af en realistisk pris på kuldioxid og samtidig vil elektrolyseproduktet være CO2-neutralt. Prisen er beregnet til 2,3 US$ pr. ton. Se perspektivering, afsnit 8 for en detaljeret beskrivelse af CO2-kilder. Anlægget bestemmes til en størrelse på 500 celler, hvilket giver en effekt på ca. 140 kW ved fuld udnyttelse af anlægget. Se kapitel 5 for cellespænding og strømtætheder. Fra netspændingen på f.eks. 10.000 V, skal spændingen transformeres ned til en passende spænding/strøm som SOEC-anlægget skal bruge. Sammen med transformeringen skal effektelektronik styre spænding og strøm i stakken alt efter temperatur og tryk. Styringen skal foregå meget præcis, da der ellers kan ske skade på stakken [Jensen 3, 2008]. 4.1.2 Output Ilten, som bliver dannet på elektrolysecellens anodeside, er meget ren. Den kan enten fyldes på trykflasker og sælges, eller sælges til industri, se kapitel 6. En blanding af kulmonooxid og brint, kaldet syntesegas eller syngas, fremkommer ved katodesiden. Gassen er interessant i forhold til produktion af syntetiske brændstoffer. I anlægget, som ses på figur 4.1, føres gassen videre fra elektrolysestakken ud til en kemisk reaktor hvor syntesegassen, med hjælp fra forskellige katalysatorer, reagerer og danner f.eks. metanol. 4.1.3 Beskrivelse af anlæg Figur 4.1: Skitse af SOEC-anlæg med produktion af syntetiske brændstoffer [Jensen 3, 2008]. 40
4.1. OPBYGNING AF SOEC-ANLÆG Ved (1) ses indløb af vand og kuldioxid. Efter rensning blandes vand og kuldioxid i et forhold svarende til det ønskede output, f.eks. metanol. Blandingen af væske og gas fortsætter ind i en varmeveksler (mangler på figur), (2), som bruges i det tilfælde, hvor der er ekstern varme tilgængeligt. Alt efter placering af anlægget kan der eksempelvis være overskudsvarme fra industri eller lignende tilrådighed. Se perspektivering, kapitel 8, for diskutionsafsnit omkring placering af SOEC-anlægget. Fordelen ved at benytte varme over 100 ◦ C er, at det kan erstatte den elektricitet, der skulle bruges til at fordampe vandet ved indløb. Varme er som regel billigere end elektricitet, så det vil kunne give en økonomisk gevinst, se teoriafsnit 3.5. Recirkulering (3) af gasser er nødvendigt af flere årsager. Reaktionen forløber ikke 100%, dvs. der altid vil være rester af vand og kuldioxid i udgangsgassen. Disse gasser separeres og recirkuleres i anlægget. En anden grund er, at det kan være fordelagtigt at recirkulere gassen, især brint, da det forhindrer nikkel i at oxidere ved katoden [Jensen et al., 2008, s. 85]. Punkt (4) er elektrolysestakken. Blandingen af vand, kuldioxid, en mindre del brint og kulmonooxid, er blevet varmevekslet med udgangsgasserne til en temperatur på ca 850 ◦ C og et tryk mellem 0,1 - 10 MPa, alt efter hvad udgangsgasserne skal bruges til. Trykket kan opnås ved at udnytte trykstigningen, som sker ved fordampning og overophedning af vand. En temperaturstigning op til 287 ◦ C giver et damptryk på ca 7 MPa [Jensen et al., 2008, s. 28]. Tilsvarende kan der også bruges en almindelig elektrisk pumpe, hvilket er mere energikrævende. For at elektrolysecellen ikke skal tage skade af det høje tryk, kan den bygges ind i en tryktank. Trykket uden om stakken skal være på højde med det indvendige tryk, så selve stakken ikke belastes, men derimod tryktanken udenom. Output fra stakken består af ilt, kulmonooxid, brint samt en mindre del vand og kuldioxid som ikke er reageret i stakken. Begge gasser varmeveksles med indgangsgassen på vej ud, så temperatur og tryk sænkes. Effekten, der skal tilføres stakken, kommer fra to højstrømskabler (5). Effektelektronik styrer effekten ind i stakken. Stakken er delvist selvregulerende, som beskrevet i afsnit 3.4 om den elektriske modstand i cellen. I forhold til op- og nedregulering er det vigtigt ikke at overbelaste elektrolysestakken unødvendigt. Når udstødningsgasserne har afgivet det meste af deres varme til indganggasserne, kommer de ud til katalysatoren (6). På figur 4.1 ses katalysatoren inde i et rør, hvilket ikke er helt optimalt i forhold til recirkulation. Typisk kræves recirkulation af syntesegassen for at al stoffet reagerer. Resterne, dvs. vand og kuldioxid, fortsætter ud til (3), hvor det syntetiske brændstof bliver ført videre og resten recirkuleres. Metanol kræver temperaturer på ca. 250 ◦ C og et tryk på 5 - 10 MPa. I modsætning kræver f.eks. metan temperaturer mellem 190 og 450 ◦ C og et tryk på 3-4 MPa, se afsnit 3.7. Begge processer er exoterme, hvilket betyder, at temperaturen vil stige efter katalysatoren. Den ekstra varme kan vha. varmeveksleren opvarme indgangsgassen og evt. også hjælpe med fordampningen af vand, hvis ikke tilstrækkelig ekstern varme er til rådighed. Efter separering (7) af det tilbageværende vand og kuldioxid, er temperaturen og trykket faldet tilstrækkeligt til at metanol kan tappes af. Til isolering af et anlæg vil der typisk benyttes glasuld eller stenuld. Tykkelsen på isoleringslaget afhænger af anlæggets størrelse, men omkring 30 cm vil være rimeligt [Jensen 3, 2008]. Hvis anlægget skal kunne bruges til hurtig regulering af elnettet, er det vigtigt at kende anlæggets opstartshastighed. 41
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 and 30: 3.5. TERMODYNAMIK I SOEC Tabel 3.2:
Page 31 and 32: 3.5. TERMODYNAMIK I SOEC Da energio
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: Kapitel 4 SOEC-anlæg I dette afsni
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

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?