Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Tích trữ năng lượng (Phần 2) - Nguyễn Quang Nam

Nội dung text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Tích trữ năng lượng (Phần 2) - Nguyễn Quang Nam

1. 408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 11 1
2. Ch. 5: Tích trữ năng lượng 5.8. Giới thiệu về pin nhiên liệu 5.9. Bộ điện phân 5.10. Nhiệt động học của pin nhiên liệu 5.11. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu 5.12. Đặc tính của pin nhiên liệu (lý tưởng và thực) 5.13. Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 2
3. Giới thiệu về pin nhiên liệu Bài giảng 11 3
4. Giới thiệu về pin nhiên liệu ➢ Quá trình tạo ra và lưu trữ điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo, dùng pin nhiên liệu. Bài giảng 11 4
5. Giới thiệu về pin nhiên liệu Bộ điện Bộ tích Pin nhiên Nguồn điện Tải phân trữ khí liệu Bài giảng 11 5
6. Ứng dụng của pin nhiên liệu Bài giảng 11 6
7. Ứng dụng của pin nhiên liệu Surveillance Robotics Bài giảng 11 7
8. Ứng dụng của pin nhiên liệu Daiamler B-Class (2010) GM Equinox Honda FCX Bài giảng 11 8
9. Ứng dụng của pin nhiên liệu Nạp điện từ lưới điện cố định Xe điện Pin nhiên liệu Bài giảng 11 9
10. Ứng dụng của pin nhiên liệu Nạp điện từ pin mặt trời ngay lúc đang chạy Xe điện lai Pin nhiên liệu Bộ quản lý năng lượng Bài giảng 11 10
11. Bộ điện phân ➢ Dòng điện chạy cưỡng bức qua một chất điện ly có thể được dùng để tách các phân tử nước thành khí hyđrô và ôxy. Hiệu suất tổng có thể đến 85%. Bài giảng 11 11
12. Bộ điện phân ➢ Nước đã khử ion phân ly thành proton, điện tử, và ôxy. Proton xuyên qua màng, và tái hợp với điện tử để tạo thành khí hyđrô. Bài giảng 11 12
13. Bộ điện phân Bài giảng 11 13
14. Pin nhiên liệu ➢ Màng mỏng cho phép ion dương đi qua, nhưng không cho phép điện tử hay khí trung hòa. Bài giảng 11 14
15. Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu Bài giảng 11 15
16. Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu Bài giảng 11 16
17. Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu ➢ Để tạo điện áp đủ lớn, có thể mắc nối tiếp các pin nhiên liệu, và các đĩa tạo dòng chảy trong bộ pin nhiên liệu được thiết kế để dẫn cả ôxy lẫn hyđrô. Bài giảng 11 17
18. Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu Bài giảng 11 18
19. Nhiệt động học PNL: Enthalpy ➢ Phản ứng toàn thể trong một pin nhiên liệu là phản ứng tỏa nhiệt. Hai câu hỏi quan trọng: Có bao nhiêu năng lượng được giải phóng và có bao nhiêu trong số đó có thể được chuyển thành điện năng. ➢ Ba đại lượng từ nhiệt động học: enthalpy, năng lượng tự do, và entropy. ➢ Định nghĩa enthalpy: Enthalpy là tổng nội năng U và tích số của thể tích V và áp suất P. Enthalpy H = U + PV Bài giảng 11 19
20. Nhiệt động học PNL: Enthalpy ➢ Khi xét đến pin nhiên liệu, ta quan tâm đến sự thay đổi hóa năng, và những thay đổi này được diễn tả tốt nhất bằng sự thay đổi enthalpy. ➢ Khi xét enthalpy, ta giả thiết nhiệt độ là 25 C và áp suất là 1 atm (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, STP). ➢ Một cách hiểu về enthalpy là nó là năng lượng cần thiết để tạo thành chất đó từ các chất thành phần của nó. Bài giảng 11 20
21. Nhiệt động học PNL: Enthalpy ➢ Trong các phản ứng hóa học, sự khác biệt enthalpy của sản phẩm và enthalpy của các chất phản ứng cho chúng ta biết có bao nhiêu năng lượng được giải phóng hay hấp thụ trong phản ứng. ➢ Khi có ít enthalpy trong sản phẩm sau cùng hơn so với trong các chất phản ứng, nhiệt được giải phóng – nghĩa là, phản ứng tỏa nhiệt. ➢ Ngược lại, nhiệt được hấp thụ và phản ứng được gọi là thu nhiệt. Bài giảng 11 21
22. Nhiệt động học PNL: Enthalpy ➢ Khi sản phẩm là nước lỏng: 1 H2 + 2 O2 → H2O(l) H = −285,8 kJ ➢ Khi sản phẩm là hơi nước: 1 H2 + 2 O2 → H2O(g) H = −241,8 kJ ➢ Dấu trừ của độ thay đổi enthalpy trong các phản ứng trên cho ta biết chúng là các phản ứng tỏa nhiệt; nghĩa là nhiệt được sinh ra. ➢ Sự khác biệt giữa enthalpy của nước lỏng và hơi nước là 44,0 kJ/mol. Bài giảng 11 22
23. Nhiệt động học PNL: Enthalpy Bài giảng 11 23
24. Ví dụ 4.8 ➢ Tìm nhiệt trị cao (HHV) của mêtan CH4 trong đơn vị kJ/mol và kJ/kg khi nó bị ôxy hóa thành CO2 và H2O (lỏng). CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) (–74,9) 2 (0) (–393,5) 2 (–285,8) H = (−393,5)+ 2 (− 285,8)−(− 74,9)+ 2 (0) = −890,2 kJ/mol CH4 890,2 kJ/mol HHV = 1000 g/kg = 55.490 kJ/kg 16,043 g/mol Bài giảng 11 24
25. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu ➢ Trong hệ thống phân cấp các dạng năng lượng, một số dạng “tốt hơn” các dạng khác. Điện năng và cơ năng (sinh công) có chất lượng cao nhất. Nhiệt năng có chất lượng thấp hơn nhiều, trong đó nhiệt năng ở nhiệt độ thấp có giá trị thấp hơn nhiệt năng ở nhiệt độ cao. ➢ Hóa năng tốt hơn nhiệt năng, nhưng kém hơn điện năng và cơ năng. ➢ Khi có một nhiệt lượng Q (kJ) được lấy khỏi một bộ trữ nhiệt với nhiệt độ T (K) không đổi, sự hao hụt entropy S từ bộ trữ được định nghĩa là Q S = T Bài giảng 11 25
26. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu ➢ Xét một sơ đồ pin nhiên liệu, thỏa mãn định luật thứ hai nhiệt động học (có một sự gia tăng entropy, xét tổng thể). ➢ Xét độ thay đổi entropy 1 Enthalpy vào H H2 + 2 O2 → H2O +Q ➢ Nếu quá trình là đẳng nhiệt Enthalpy ra We Q S = PNL T ➢ Định luật nhiệt động học thứ hai dẫn đến Nhiệt sinh ra Q Q T(Sreactants −Sproducts) Bài giảng 11 26
27. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu ➢ Phải có một lượng nhiệt tối thiểu trong pin nhiên liệu. Chúng ta có thể dễ dàng xác định hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu. ➢ Từ sơ đồ H =We + Q ➢ Điện năng ra We là phần mong muốn, hiệu suất của pin nhiên liệu có thể được định nghĩa là W H − Q Q  = e = =1− H H H ➢ Hiệu suất cực đại ứng với Q tối thiểu. Bài giảng 11 27
28. Ví dụ 4.9 ➢ Giả sử một pin nhiên liệu hoạt động ở 25 C (298 K) và 1 atm tạo ra nước lỏng (nghĩa là, chúng ta sử dụng nhiệt trị cao HHV của nhiên liệu hydrô): H2 + ½O2 → H2O(l) H = –285,8 kJ/mol H2 a) Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H2 b) Hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu là bao nhiêu? ➢ Sự sụt giảm entropy của các chất phản ứng  Sreactants = 0,13 1 + 0,205 0,5 = 0,2325 kJ/K ➢ Sự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng  Sproducts = 0,0699 kJ/mol-K 1 mol = 0,0699 kJ/K Bài giảng 11 28
29. Ví dụ 4.9 ➢ Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình là Qmin = T( Sreactants –  Sproducts) = 298(0,2325 – 0,0699) = 48,45 kJ/mol H2 ➢ Enthalpy thừa ra trong quá trình tạo thành nước lỏng từ H2 và O2 là H = 285,8 kJ/mol H2. Hiệu suất cực đại xảy ra khi Q là tối thiểu Q 48,45  =1− min =1− = 0,83 = 83% max H 285,8 Bài giảng 11 29
30. Năng lượng tự do Gibbs và hiệu suất PNL ➢ Hóa năng được giải phóng trong một phản ứng có thể được coi như gồm hai phần: một phần không liên quan đến entropy, được gọi là năng lượng tự do G, có thể được chuyển hóa trực tiếp thành điện năng hay công cơ học, cộng với một phần phải tồn tại ở dạng nhiệt. ➢ Năng lượng tự do Gibbs G tương ứng với điện năng (hoặc cơ năng) ngõ ra cực đại, không liên quan đến entropy, có thể có từ một phản ứng hóa học. G G = G − G  =  products  reactants max H Bài giảng 11 30
31. Ví dụ 4.10 ➢ Hiệu suất cực đại tại STP của một pin nhiên liệu PEM dựa vào nhiệt trị cao (HHV) của hyđrô là bao nhiêu? H2 + ½O2 → H2O(l) H = –285,8 kJ/mol H2 ➢ Từ bảng 4.6 năng lượng tự do Gibbs của H2 và O2 đều là 0, và giá trị đó của sản phẩm, nước lỏng, là −237,2 kJ. G = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/mol ➢ Vậy, G − 237,2 kJ/mol  = = = 0,83 = 83% max H − 285,8 kJ/mol Bài giảng 11 31
32. Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng ➢ Với một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực đại do đó bằng với độ lớn của G. Bên dưới là các đại lượng điện và một số hằng số: q = điện tích của điện tử = 1,602 × 10−19 coulombs N = số Avogadro = 6,022 × 1023 phân tử/mol v = thể tích của 1 mol khí lý tưởng tại STP = 22,4 lít/mol n = tốc độ hyđrô đi vào pin nhiên liệu (mol/s) I = dòng điện (A), với 1 A = 1 coulomb/s VR = điện áp lý tưởng giữa hai điện cực (volts) P = công suất điện sinh ra (W) Bài giảng 11 32
33. Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng ➢ Dòng điện qua tải sẽ là I (A) = 192.945n ➢ Với pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng, G = 237,2 kJ/mol (H2), công suất lý tưởng (W) cung cấp cho tải sẽ là P (W) = 237.200n ➢ Và điện áp sinh ra giữa các cực của pin nhiên liệu lý tưởng sẽ là VR = P (W)/I (A) = 1,229 V ➢ Suất tiêu thụ hyđrô của pin nhiên liệu lý tưởng này Suất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng/Năng lượng = 30,35 g H2/kWh Bài giảng 11 33
34. Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực ➢ PNL thực không cung cấp toàn bộ năng lượng tự do Gibbs, vì có các tổn hao. ➢ Các tổn hao chính bao gồm tổn hao kích hoạt (cho chất xúc tác), tổn hao ohm (do điện trở nội), tổn hao fuel crossover (nhiên liệu đi ngang mà không giải phóng điện tử), và tổn hao truyền khối (khí hyđrô và ôxy gặp khó khăn trong việc đến được điện cực). ➢ Vì những lý do này và các lý do khác, các pin nhiên liệu thực, nói chung, chỉ tạo ra khoảng 60 – 70% giá trị cực đại lý thuyết. Bài giảng 11 34
35. Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực 0,25 V = 0,85 − 0,25J = 0,85 − I Bài giảng 11 A 35
36. Ví dụ 4.11 ➢ Một PNL 1-kW hoạt động liên tục để cung cấp toàn bộ nhu cầu điện cho một ngôi nhà điển hình ở Mỹ. Nếu một bộ PNL như vậy tạo ra 48 V dc bằng các pin với điện áp mỗi pin bằng 0,6 V, cần bao nhiêu pin nhiên liệu và diện tích màng trao đổi proton của mỗi pin là bao nhiêu? ➢ 48/0,6 = 80 pin nhiên liệu mắc nối tiếp để tạo ra 48 VDC. Dòng điện cần phải chạy trong mỗi pin nhiên liệu là I = P / V = 1000 / 48 = 20,83 A ➢ Dùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có là 2 A = 0,25 I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm Bài giảng 11 36
37. Các loại pin nhiên liệu 1. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) 2. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) 3. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) 4. Alkaline Fuel Cells (AFC) 5. Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) 6. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) Bài giảng 11 37
38. Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 38
39. Các loại pin nhiên liệu ➢ Đồng phát điện nhiệt có thể nâng hiệu suất lên đến 70% Bài giảng 11 39
40. Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 40
41. Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 41
42. Thí nghiệm tại GPL Bài giảng 11 42