Keramik eldsneytisfrumutækni (Sofc) stuðlar að þróun hreinnar orku

Titill: Keramik eldsneytisfrumur: Óþekktu hetjurnar sem knýja snyrtilega orkuframtíð okkar?

(Keramikeldsneytisfrumutækni (Sofc) stuðlar að þróun hreinnar orku)

Bloggsíða: .

Við heyrum mikið um sólarsellur og vindrafstöðvar. Þær ná að vekja athygli. En hvað með friðsamlegu vinnuhestana? Tæknin sem er að dunda sér á bak við tjöldin? Ein slík orkuver á skilið meiri athygli: Keramikgasfrumur. Þessi tækni, oft kölluð SOFC (sem stendur fyrir sterk oxíðgasfrumur), er ekki glæsileg. Samt sem áður hefur hún mikla vísbendingu um að hreinsa upp orkukerfið okkar. Gleymdu þungum rafhlöðum eða fjarlægum kjarnorkuverum. Ímyndaðu þér að framleiða rafmagn þar sem þú þarft á því að halda. Auðveldlega. Á skilvirkan hátt. Það er sagan af SOFC. Við skulum kafa ofan í það.

1. Hvað nákvæmlega eru keramikgasfrumur (SOFC)?

Hugsaðu þér rafhlöðu. Hins vegar, í stað þess að spara rafmagn, framleiðir hún rafmagn stöðugt. Svo lengi sem þú gefur henni eldsneyti. Það er í raun eldsneytisfruma. Keramik eldsneytisfruma, eða SOFC, er sérstök gerð. Lykilhluti hennar, rafvökvinn, er úr sérstökum keramikefnum. Þessi keramikkjarni er það sem gerir SOFC einstaka og öfluga.

Ólíkt nokkrum öðrum eldsneytisfrumum sem þurfa hreint vetni eru SOFC-frumur fjölhæfar. Þær geta notað hefðbundið gas eins og jarðgas, lífgas (úr úrgangi) eða jafnvel vetni. Þær starfa við hita, venjulega á milli 500°C og 1000°C. Þessi hiti kann að virðast ókostur, en hann býður upp á verulega kosti. Hann gerir keramik-rafvökvanum kleift að vinna krafta sína á skilvirkan hátt. Það þýðir einnig að eldsneytisfruman getur framleitt gagnlegan, háþróaðan hita ásamt rafmagni. Við köllum þetta sameinaðan hita og orku (CHP). Þessi tvöfalda niðurstaða eykur heildarafköst verulega.

SOFC-efni eru fast efni. Enginn óhreinn vökvar sem skvettast um innan í þeim. Einfaldlega sterk lög sem eru vandlega hönnuð til að framkvæma efnahvörf: umbreyta eldsneyti og lofti beint í rafmagn, hita og vatnsgufu (eða CO2 ef notað er kolvetnisgas, en samt miklu hreinna en brennsla). Þau eru þekkt fyrir endingu og langan líftíma.

2. Hvers vegna eru keramikgasfrumur mikilvægar fyrir hreina orku.

Hrein orka er ekki nærri því endurnýjanleg. Hún snýst um að nýta alla orku mun skilvirkari og með mun minni losun. Þetta er þar sem SOFC-gas skín.

Í fyrsta lagi afköst. Brennsla eldsneytis í hefðbundinni kjarnorkuveri sóar gríðarlegri orku sem hiti, sem oft tapast í loftkælingarturni. Jafnvel bestu kjarnorkuverin berjast við að breyta meira en 60% af orku eldsneytisins í rafmagn. SOFC-orkuver sem keyra í CHP-ham breyta þessu formi. Þau geta breytt yfir 85% af orku gassins í nothæfa orku og hita. Minni eldsneytisnotkun fyrir sömu orkunýtingu þýðir minni losun og lægri kostnað.

Í öðru lagi, útblástur. SOFC-kjarnorkuver framleiða rafmagn rafefnafræðilega, ekki með bruna. Það á sér engin bruna. Þetta bendir til verulega minni losunar köfnunarefnisoxíða (NOx) og brennisteinsoxíða (SOx) - mikilvægra loftmengunarefna. Einnig, þegar SOFC er notað, myndar það mun minna koltvísýring hver af rafmagninu samanborið við hefðbundna gaskjarnorkuver. Þegar þau eru rekin á lífgasi eða hreinu umhverfisvænu vetni minnkar kolefnisspor þeirra verulega, hugsanlega niður í næstum ekkert.

Í þriðja lagi, sveigjanleiki í eldsneyti. Þeir eru ekki tryggðir í þörfinni fyrir hreint vetni, sem er enn erfitt að kaupa og flytja í stórum stíl. Þeir geta nýtt sér núverandi gaskerfi í dag og jafnframt verið leiðandi í átt að hreinna lífgasi og vetni á morgun. Þessi sveigjanleiki er nauðsynlegur fyrir greiðari orkuskipti.

Í fjórða lagi, dreifing. SOFC-rafhlöður eru stigstærðar. Þær geta verið ófullnægjandi til að knýja eitt heimili eða fyrirtæki, eða staflaðar fyrir stærri viðskiptaþarfir. Að fá rafmagn rétt þar sem það er notað dregur úr orkutapi frá langdrægum flutningslínum. Það gerir einnig raforkukerfið mun endingarbetra.

3. Hvernig virka keramikgasfrumur í raun og veru.

Galdurinn á sér stað inni í lagskiptu keramiksamloku. Ímyndaðu þér þrjú þunn, jöfn lög hlaðin saman:.

1. Anóðan: Þetta er eldsneytishliðin. Venjulega úr nikkel-keramik blöndu. Eldsneyti, eins og gas eða vetni, ferðast yfir þetta lag.
2. Rafvökvinn: Hjartað. Þykkt keramiklag, oftast úr sirkon. Það hleypir aðeins smájónum (súrefnisjónum, O²⁻) í gegn. Það hindrar rafeindir.
3. Katóðan: Lofthliðin. Gerð úr einstökum keramikefnum. Loft (súrefni) ferðast yfir þetta lag.

Hér er dansinn skref fyrir skref:.

Loft kemur: Súrefnisameindir (O TWO) úr loftinu lenda á katóðu. Þær fá rafeindir sem flæða til baka frá utanaðkomandi hringrás. Þetta breytir þeim í súrefnisjónir (O² ⁻)
Jónaútrás: Rafvökvinn vinnur sitt. Hann leyfir þessum neikvætt hlaðnu súrefnisjónum (O²⁻) að streyma með sér, frá katóðuhliðinni að anóðuhliðinni.
Gas fullnægir jónum: Við anóðuna bíða eldsneytisameindir (eins og H₂ eða CH₄). Súrefnisjónirnar sem koma inn svara með gasinu. Fyrir vetni er það einfalt: 2H₂ + O₂⁻ → 2H₂O₄ + hiti. Fyrir gas (metan, CH₄) er það enn flóknara en fylgir sömu hugmyndafræði: CH₄ hvarfast við súrefnisjónir og myndar CO₂, vatnsgufu, hita og, mikilvægast, losar um rafeindir.
Rafeindahringrás (rafmagn!): Keðjuverkunin við anóðuna sendir rafeindir (e ⁻). Þessar rafeindir geta ekki snúið aftur með rafvökvanum. Þess í stað losna þær úr stað með utanaðkomandi hringrás. Þessi rafeindahringrás er rafstraumurinn sem við notum. Eftir að hafa knúið tækin okkar ljúka rafeindirnar hringrásinni með því að fara aftur að katóðunni.
Úttak: Helstu úttak eru raforka með beinni straumi (DC), gagnlegur hiti og vatnsgufa (auk CO2 ef notað er kolvetniseldsneyti). Hitinn er mikilvæg aukaafurð, frábær til að hita upp byggingar eða iðnaðarferli.

Engin bruni. Engir hlutar sem færa sig (yfirleitt). Einfaldlega jónir sem færa sig í gegnum keramik og rafeindir sem flæða í gegnum snúru. Glæsilegt.

4. Þar sem keramikgasfrumur eru að gera greinarmun.

SOFC-efni eru ekki bara tilraunir í rannsóknarstofum. Þau eru til um allan heim og sanna gildi sitt í ýmsum uppsetningum.

Kyrrstæð rafmagn (heimili og fyrirtæki): Þetta er stærsti markaðurinn núna. SOFC tæki, oft á stærð við stóran ísskáp eða lítinn skáp, eru geymd í kjöllurum eða þvottahúsum. Þau veita aðal- eða varaafl og hita fyrir heimili, fjölbýlishús eða íbúðablokkir, hótel, heilsugæslustöðvar, skrifstofur og verslanir. Fyrirtæki eins og Blossom Power og Solid Power hafa sett upp þúsundir þessara kerfa um allan heim. Þau bjóða upp á orkusparnað, lægri kostnað og minni útblástur samanborið við rafmagn frá raforkukerfinu (sérstaklega raforkukerfi sem nota mikið jarðefnaeldsneyti) og hefðbundna katla.
Fjarlæg og ótengd rafmagni: Þarftu áreiðanlega rafmagn mikið frá raforkukerfinu? SOFC rafstöðvar eru bestar. Þær knýja fjarskiptaturna, fjarlægar rannsóknarstöðvar og herstöðvar. Mikil afköst þeirra þýða að minna gas þarf að flytja og geyma. Þær geta gengið fyrir LP eða dísilolíu ef þörf krefur, enn hreinni en rafalar.
Upplýsingamiðstöðvar: Þessar orkufreku mannvirki þrá áreiðanlega og hágæða rafmagn og loftkælingu. SOFC-kælar veita afar áreiðanlega rafmagn á staðnum. Hægt er að nýta úrgangshitann til að kæla frásog, sem dregur úr notkun loftkælingar. Þetta eykur verulega afköst og dregur úr rekstrarkostnaði og losun.
Iðnaðarnotkun: Framleiðsluaðstöður þurfa bæði orku og mikið magn af hita eða gufu. SOFC CHP kerfi skila hvoru tveggja á skilvirkan hátt. Þau er hægt að samþætta í ferla og nota úrgangslofttegundir (eins og lífgas frá skólphreinsun eða sorphaugas) sem gas og umbreyta úrgangi í gagnlega orku.
Samgöngur (aukaafl): Þótt SOFC-rafhlöður knýi ekki bíla beint enn (hitastig er hátt), eru þær framúrskarandi aukaaflsrafhlöður (APU - Accessory Power Systems) fyrir vörubíla, skip og flugvélar. Þær veita rafmagn fyrir þægindi í stjórnklefa, kælingu eða hótelgeymslur án þess að aðalvélin gangi í lausagangi, sem sparar bensín og dregur úr hávaða og útblæstri í höfnum eða á vörubílastoppistöðvum.
Kolefnisbinding: Sérstök útblástursstraumur þeirra (mikill styrkur CO₂ og vatnsgufu við notkun gass) gerir það að verkum að binda CO₂ til geymslu eða notkunar hugsanlega einfaldari og hagkvæmari en úr hefðbundnum útblásturslofttegundum frá virkjunum. Þetta er mikilvægt svið framtíðarþróunar.

5. Keramik eldsneytisfrumur: Helstu spurningar þínar svaraðar.

Við skulum skoða nokkur dæmigerð áhugamál:.

1. Eru SOFC-efni virkilega „hrein“ ef þau nota jarðgas? Já, samanborið við að bræða bara gas til raforku eða hita, þá eru þau mun hreinni. SOFC-efni framleiða minna af COXNUMX á kílóvattstund af rafmagni og draga verulega úr losun skaðlegra lofttegunda (NOx, SOx). Þau eru mikilvægt skref í átt að hreinni notkun jarðefnaeldsneytis á meðan notkun endurnýjanlegs vetnis/lífeldsneytis eykst.
2. Af hverju þessi hái hiti? Er það ekki slæmt? Hátt hitastig er lykillinn að því að keramik rafvökvinn virki á skilvirkan hátt og geri kleift að endurskapa innri gas (umbreyta gasi í vetni inni í frumunni sjálfri). Það veitir einnig mikilvægan hágæða hita. Áskorunin er að takast á við ræsingartíma og hitaspennu, sem verkfræðingar eru stöðugt að bæta með betri efnum og kerfishönnun.
3. Hversu lengi endast þau? SOFC kerfi eru hönnuð til að endast lengi, yfirleitt í 60,000 til 80,000 klukkustundir (um 7-10 ára samfelld notkun). Endingin hefur aukist gríðarlega. Tryggt er að sliti sé breytt með tímanum og kerfin eru hönnuð til að tryggja áreiðanleika.
4. Eru þeir dýrir? Upphafsverð eru hærri en hefðbundinna rafstöðva eða raforkutenginga. En myndin breytist þegar heildarkostnaðurinn er skoðaður. Framúrskarandi skilvirkni þeirra þýðir lægri eldsneytiskostnað yfir líftíma þeirra. Lágmarks viðhald (færri hreyfanlegir hlutar) og verðmæti hitans sem þeir framleiða lækkar einnig rekstrarkostnað. Kostnaðurinn lækkar smám saman eftir því sem framleiðslan eykst.
5. Geta þær gengið fyrir umhverfisvænu eldsneyti? Algjörlega! Þetta er verulegur kostur. SOFC-knúnar orkugjafar geta gengið óaðfinnanlega fyrir lífgasi sem er framleitt úr lífrænum úrgangi (ruslahaugum, búgörðum, skólpi). Þær eru einnig fullkomlega til þess fallnar að ganga fyrir hreinu „grænu“ vetni sem er framleitt úr umhverfisvænni orku með rafgreiningu. Þegar þær eru knúnar á þennan hátt er rekstur þeirra í raun kolefnishlutlaus.

(Keramikeldsneytisfrumutækni (Sofc) stuðlar að þróun hreinnar orku)

6. Hvað með öryggi? Eins og með allar tegundir rafmagnstækja sem nota eldsneyti er öryggi afar mikilvægt. SOFC kerfi innihalda mörg lög af öryggisstýringum, skynjaraeiningum og lokunarbúnaði. Þau eru smíðuð samkvæmt ströngum stöðlum. Keramik rafvökvinn er náttúrulega öruggur. Háhitastigið er haldið innan vel varinna íhluta.