O l e T r i n h a m m e r - Fysik

More documents

Recommendations

Info

16 ville få ud, hvis brinten blot var blevet afbrændt. Virkningsgraden betegnes med η (eta), dvs. elektrisk energi ud η = brændselsenergi i forbrugt brint Den højst opnåelige virkningsgrad afhænger noget af temperaturen og lidt af trykket i omgivelserne. Ved 25 °C og 1 atmosfæres tryk kan 83% af brændselsenergien i princippet omdannes til elektricitet. I et traditionelt kraftværk kan det teoretiske maksimum være 65 %. Her afbrænder man først brændslet i kedlen, som producerer damp, der driver en turbine, som trækker en elgenerator (dynamo). Der er altså større rum for optimering af brændselscelleteknologien, netop fordi omdannelsen til elektricitet sker direkte. Miljømæssige fordele Den høje teoretiske virkningsgrad for brændsels celler åbner for et meget langsigtet per spektiv for en bæredygtig elforsyning uden brug af fossile brændsler ( kul, olie, gas ), som producerer drivhusgassen CO 2 . Man vil nemlig kunne gemme overskudsenergi fra solceller og vindmøller og andre elanlæg ved at bruge strømmen til spaltning af vand ved elektrolyse ( figur 17 ). Det giver brint og ilt, som kan gem mes uden større tab i stedet for at gemme ener gien i et traditionelt genopladeligt batteri (akkumulator). Batterierne kan ikke så godt holde på ener gien, hvorimod brinten kan gemmes lige så længe man ønsker og derefter anvendes i en brændselscelle, når behovet melder sig. Sær ligt perspektiv er der i udvikling af rever - si b le celler, dvs. celler, der både kan køre som brændselsceller og som elektrolyseceller, se figur13.Nårdereroverskudafelektricitetisam fundets energisystem, producerer man brint Celle V A (5) Figur 17 Et 2V solpanel driver en elektrolysecelle. Brint og ilt opsamles i de to cylindre og brinten gemmes, til der er behov for elektricitet. Bemærk, at der udvikles dobbelt så meget brint som ilt. Figur 16 Diagram for undersøgelse af effektivitet af en brændselscelle ved forskellige belastninger. Først samles strømkredsen med en bestemt farve ledninger gennem hele kredsen, dernæst indsættes voltmetret pa rallelt med en anden farve ledninger (stiplet). Farveforskellene letter over blik ket. Man måler spæn dings for skel, strømstyrke, tid og brintforbrug. ved elektrolyse og gemmer brinten. Når der er under skud af elektricitet vender man processen i cellen, så den nu forbruger brint og producerer elek tricitet. Miljøhensyn har gjort, at man op gennem 1990’ erne begyndte at anvende brændselsceller både i biler og på kraftværker på forsøgsbasis. Affaldet ved forbrændingen i en celle til brint er nemlig rent vand. Vanddamp er ganske vist også en drivhusgas, men den indgår i naturens vandkredsløb og “regner ned” igen. På kort sigt produceres brinten dog fx fra naturgas, hvor der dannes CO 2 som spildprodukt. Det må man så gemme. Eller man kan udnytte den miljøfordel, som den højere virkningsgrad giver i brændselscelletyper, der kan udnytte kulbrinter, såsom olie og benzin. Fordelen ved ren brint i brændselsceller, i forhold til kulbrinter, er “blot”, at der ikke dannes kuldioxid CO 2 . For alle brændsler gælder det, at det er klart, at jo højere virkningsgraden er, des bedre er det for miljøet, fordi man derved skal bruge mindre brændsel for at producere en given elektricitetsmængde eller et givet nyttigt arbej de. Men der er en anden vigtig miljøfordel ved at udnytte brændsler i en brændselscelle frem for ved en fri
forbrænding. En fri forbrænding foregår nemlig ved en så høj temperatur, at der i luften i og uden om forbrændingskammeret dannes kvælstof-ilter NO x ved reaktion mellem luftens ilt og kvælstof. Kvælstofilterkaldesogsånitrogenoxider. NO x er en fællesbetegnelse for N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 og N 2 O 5 . Flere af disse er både giftige og bidrager til drivhuseffekten. Det er fx for at hindrekvælstofilteriudstødningen,atmodernebilerhar påmonteret katalysatorer. I brændselscellen derimodertemperaturensålav,atkvælstofilterikke dannes. Total virkningsgrad For at beregne energiindholdet i brinten, skal vi kende brændværdien H V pr. rumfang brint og måle det forbrugte brintrumfang V. Brændværdien kan slås op i en tabel. Den er 12 joule pr. milliliter (ved 25 °C og 1 atmosfæres tryk) vedomdannelsetilvæske(flydendevand).Hvisder fx forbruges 5 mL brint, er energiindholdet 60 J (12 J/mL · 5 mL = 60 J ). Alment fås brændselsenergien E brændsel som produktet af brændværdi og rumfang E = H ⋅V brændsel V (6) Produktet af spændingen U (i volt) over cellens poler og strømstyrken I (i ampere) gennem belastningen giver den elektriske effekt P (i watt = joule pr. sekund). Den elektriske energi E elektrisk (ijoule)kansåfindesvedatgangemedtidsforbruget t (i sekunder), så vi får E = P ⋅ t = U ⋅ I ⋅ t elektrisk (7) Ifigur16ervist,hvordanmanmåler.Hviscellen fx leverer 0,5 A ved 0,8 V, er effekten 0,4 W (0,8 V · 0,5 A = 0,4 W = 0,4 J/s). Brændsel Øvre brændværdi Brint Benzin Naturgas Sprit (95%) kJ/g 142,5 46,0 53,8 28,2 Nedre brændværdi kJ/g 120,1 42,7 48,6 25,3 Temperatur °C 0 20 25 Tabel 5 Brændværdien pr. rumfang afhænger af temperaturen, fordi gasser udvider sig, når temperaturen vokser. Her er en lille oversigt for brint. Værdierne er ved 1 atmo sfæres tryk. Brændværdien afhænger også af, om man med reg ner den varme, der fri gi ves, når vandet fortætter til flydende væske. Tabel 6 Brændværdien pr. masse er uafhængig af temperaturen og kan bruges til at sammenligne forskellige brændsler. Brint har en meget større brændværdi pr. masse end alle andre almindelige brændsler. Der skal kun ca. en tredjedel til i forhold til benzin. Til gengæld må brinten opbevares i tryktanke for ikke at fylde for meget, eller som såkaldte metalhydrider, der endnu er under udvikling. Massefylde densitet, 20°C g/L 0,084 720 0,747 810 Øvre brændværdi omdannelse til flydende vand J/mL 12,75 11,88 11,68 Nedre brændværdi omdannelse til vanddamp J/mL 10,79 10,05 9,88 Hvis den gør det i 60 sekunder, giver det 24 J (0,4 J/s · 60 s = 24 J ). Dette skal sættes i for hold til energiindholdet i det rumfang brint, som brænd selscellen forbruger. I eksemplet kan vi tæn ke os et brintforbrug på 5 mL som ovenfor og får så virkningsgraden 24 J/60 J = 40 %. Brændselscellens totale virkningsgrad η, bliver dermed ifølge (5) E U ⋅ I ⋅ t elektrisk η = = E H ⋅V brændsel V (8) Det teoretiske maksimum er 83 %, hvis slutproduktet er væske og 95 % hvis det er damp. Hvis forholdet i (8) fx er 0,52 betyder det, at virkningsgraden er 52%. Hvis virkningsgraden er meget mindre end maksimum, kan det skyldes indre modstand i brændselscellen. Det nedsætter spændingen over cellens poler, som er den, der leveres til det ydre kredsløb. For at mindske den indre modstand i større anlæg søger man at pakke brændselscellestakke på snedig vis, så strømvejene i cellernes indre og mellem de enkelte celler bliver så korte som muligt. Hvordan gøres elektrolytten tynd, så den indre modstand nedsættes? Hvordan bringes gaskanaler og elektroder i god kontakt? Hvilken overfladebehandlingskalelektrodernehaveforat katalysere processerne bedst? Hvordan pakkes lagene, så strømvejen gennem elektroderne bliver mindst mulig? Hvordan pakkes og hvilke materialer skal vælges, så varme ledes bort (til eventuel udnyttelse)? 17
Page 1: O l e T r i n h a m m e r E v i g E
Page 4 and 5: 2 EVIG ENERGI? - brændselsceller o
Page 6 and 7: 4 Forord Denne bog er skrevet til F
Page 8 and 9: 6 Solens energi opsamles på store
Page 10 and 11: 8 Antal år, hvor energireserven ka
Page 12 and 13: 10 BOREPLATFORM Drivhuseffekt Drivh
Page 14 and 15: Opgaver ET EVIGT KREDSLØB AF ENERG
Page 16 and 17: 14 citet, når den tilføres stoffe
Page 20 and 21: 18 Virkningsgrad [ % ] Det har fx v
Page 22 and 23: 20 Maksimal effekt Den elektriske e
Page 24 and 25: 22 Lidt historie Selve ideen i bræ
Page 26 and 27: 24 brændsels celle type, der på d
Page 28 and 29: 26 Opgaver 201 En brændselscelle k
Page 30 and 31: 28 Kapitel 3 Samfundsudvikling i pe
Page 32 and 33: 30 BOREPLATFORM Reserver eller resu
Page 34 and 35: 32 Texas olie, millioner tønder/å
Page 36 and 37: 34 Energi, klima, penge og politik
Page 38 and 39: 36 Universelt forbindelsesled. Forb
Page 40 and 41: 38 BOREPLATFORM Geologisk tidsskala
Page 42 and 43: 40 Opgaver PÅ VEJ MOD BRINTSAMFUND
Page 44 and 45: 42 Efter denne øvelse vil I kunne
Page 46 and 47: 44 2. Brændselscellens belastnings
Page 48 and 49: 46 Supplerende litteratur Nye energ
Page 50: 48 JJordens varmebalance , 9, 10, 4

O l e T r i n h a m m e r - Fysik

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?