Silnik czterosuwowy może rozwiązać problemy z produkcją i dystrybucją wodoru

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Silnik spalinowy o spalaniu wewnętrznym wykorzystany jako reaktor produkujący na bieżąco wodór dla ogniw paliwowych? To właśnie CHAMP (CO2/H2 Active Membrane Piston) opracowany przez profesora Andreia Fedorova z Georgia Institute of Technology. Mamy ogólnokrajową sieć dystrybucji gazu, więc znacznie łatwiej jest wykorzystać go do produkcji wodoru w miejscu, gdzie ma być użyty, niż zmagać się z dystrybucją wodoru. Nasza technologia pozwala na produkowanie wodoru wszędzie tam, gdzie jest dostępny gaz naturalny, rozwiązując jeden z główny problemów gospodarki wodorem - mówi uczony.

Prace nad CHAMP-em trwają od 2008 roku. Fedorov i jego zespół wykorzystali ideę silnika czterosuwowego, dodali doń katalizator, membranę do separacji wodoru oraz pochłaniacz dwutlenku węgla. Uzyskali w ten sposób urządzenie produkujące wodór w dość niskiej temperaturze, które można dowolnie skalować w górę i w dół w zależności od potrzeb. Rozwiązanie takie można by stosować wszędzie tam, gdzie chcemy użyć wodorowych ogniw paliwowych - od budynków jednorodzinnych poprzez autobusy po samochody osobowe. System może pracować nie tylko na gazie naturalnym, ale również na metanolu czy gazie uzyskiwanym z odpadów i odchodów. Ponadto wychwytuje on dwutlenek węgla.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych silników z ich tysiącami obrotów na minutę CHAMP pracuje z prędkością kilku cykli na minutę. Wszystko zależy od jego wielkości i zapotrzebowania na wodór. Nie dochodzi w  nim też do zapłonu, nie spala on bowiem żadnego paliwa.

Kluczem do pojawienia się w CHAMP-ie pożądanej reakcji jest praca tłoków. Podobnie jak w konwencjonalnym silniku kontrolują one przepływ gazu. W pierwszym kroku gaz i para trafiają po obniżeniu tłoku do cylindra, który ulega zamknięciu, gdy tłok osiągnie najniższy poziom. Tłok unosi się, kompresuje metan i parę wodną, co prowadzi do ich podgrzania. Gdy temperatura osiąga około 400 stopni Celsjusza, zachodzi reakcja, w wyniku której powstaje wodór i dwutlenek węgla. Wodór przechodzi przez membranę, a CO₂ jest wychwytywany przez sorbent zmieszany z katalizatorem. Tłok jest następnie obniżany, zmniejsza się ciśnienie, dwutlenek węgla jest uwalniany z sorbentu i trafia do cylindra. Tłok ponownie się unosi, wypychając CO₂ z cylindra, który jest gotowy na kolejny cykl. Mamy wszystkie elementy układanki. Wyzwaniem jest ekonomika całego procesu. W najbliższym czasie wybudujemy pilotażowy reaktor CHAMP - mówi profesor Fedorov.

Technologia ta ma być odpowiedzią na problemy związane z produkcją, przechowywaniem i dystrybucją wodoru. Obecnie gaz ten powstaje z pary wodnej i metanu w temperaturze około 900 stopni Celsjusza. Do uzyskania każdej molekuły wodoru konieczne jest użycie trzech molekuł wody. Później wyprodukowany gaz trzeba przechować i przetransportować w miejsce, w którym ma zostać użyty. A nie jest to łatwe zadanie.

Grupa Fedorova przeprowadziła obliczenia, z których wynika, że można wykorzystać silnik czterosuwowy do produkcji na miejscu niewielkich ilości wodoru. Naukowcy postawili sobie za cel opracowanie procesu uzyskiwania wodoru w temperaturze 400-500 stopni Celsjusza, który będzie wykorzystywał dwie molekuły wody na każdą molekułę metanu, w wyniku czego mają powstawać cztery molekuły wodoru, który można będzie skalować oraz który będzie przechwytywał powstający CO₂ w celu jego składowania lub późniejszego wykorzystania.

Chcieliśmy całkowicie przebudować reaktor. Zdaliśmy sobie sprawę, że jeśli chcemy spełnić nasze założenia, to musimy stworzyć reaktor o dynamicznie zmieniającej się pojemności. Przyjrzeliśmy się istniejącym systemom mechanicznym i zauważyliśmy, że świetnie nadaje się do tego silnik o wewnętrznym spalaniu - mówi Fedorov.

CHAMP jest bardzo elastyczny. Można go skalować tak, by produkował setki kilogramów wodoru dziennie, co może przydać się na stacji paliw, lub też by jego produkcja wynosiła kilka kilogramów, dzięki czemu może znaleźć zastosowanie w samochodzie lub domku jednorodzinnym. Reaktor jest skalowalny i modułowy. Można używać jednego lub setek modułów, w zależności od tego, ile wodoru potrzebujemy. Procesy reformingu paliwa, oczyszczania wodoru i przechwytywania dwutlenku węgla zachodzą w jednym niewielkim systemie - dodaje uczony.

« powrót do artykułu

[Jajcenty 314]

Procesy reformingu paliwa, oczyszczania wodoru i przechwytywania dwutlenku węgla zachodzą w jednym niewielkim systemie - dodaje uczony.

Interesujące. Po pierwsze stopień konwersji gazu na wodór nie jest 1. Nie mam danych, ale gdyby był  w granicach 0.3 to byłby rewelacyjny, zatem 0.7 gazu wychodzi nie zmieniona. Zapewne wzięto to pod uwagę, ale to dodatkowy koszt. Membrany nie robią za darmo, ani szybko. Trzeba będzie ponieść termodynamiczne koszty rozdziału gazów poreakcyjnych, nie ma znaczenia jakiej magii* użyjemy. Resumując, gdyby mnie ktoś pytał powiedziałbym: nie idź w tą stronę, bo to się na pewno nie uda. Jednak prof. Fedorov o tym wszystkim wie, zatem szykuje się nam nie lada wynalazek. Trzymam kciuki.

 

*Do rzucania zaklęć potrzebna jest mana. Zatem magia też nie jest za darmo. Za darmo są demony Maxwella, ale jeszcze nie wiadomo co chcą w zamian za swoje usługi.

Edytowane 17 lutego 2017 przez Jajcenty

[Flaku 26]

Nie za bardzo rozumiem co napędza to ustrojstwo. Silnik elektryczny podłączony do wału?

[radar 104]

 

 

Nie za bardzo rozumiem co napędza to ustrojstwo. Silnik elektryczny podłączony do wału?

Dwusuw diesel, 20 litrów spalonej ropy na 1 litr wodoru

[Gość kremien]

Dwusuw diesel, 20 litrów spalonej ropy na 1 litr wodoru

 

 

 

 

Wartość opałowa wodoru jest bardzo wysoka i wynosi 120 MJ/kg (dla przykładu - węgiel 25 MJ/kg, benzyna 47 MJ/kg).

 

 

Więc chyba nie jest tak źle Cytat zaczerpnięty z http://www.ogniwa-paliwowe.info/hydrogen.php

[Gość Astro]

 

 

Więc chyba nie jest tak źle

 

Wiesz jaka jest "wartość opałowa" antymaterii? Jeśli chcesz porównywać "wartości opałowe", to bez rozważenia "kosztów uzyskania" nie ma to sensu.

[Stanley 15]

Więc chyba nie jest tak źle Cytat zaczerpnięty z http://www.ogniwa-paliwowe.info/hydrogen.php

 

Na mój chłopski logicznym jest iż każda przemiana w efekcie której h2o zostanie "rozbite" na h2 + o z czymś innym wymaga conajmniej takiej samej ilości energii jaką można odzyskać z połączenia h2 + o prawda? (spalanie)

Więc, skoro ze spalania 27-47MJ przy sprawności silnika 30-40% można uzyskać zaledwie 15-20MJ energii mechanicznej która napędza reaktor. Logicznym jest że do uzyskania 1kg wodoru(120MJ) potrzeba ~6-8kg benz.(ok 10-12l) W procesie spalania 1kg H2 można odzyskać 40MJ energii mechanicznej(30%). To można uzyskać bezpośrednio z 3l benz. Gdyby dodać sprawność reaktora na poziomie 30% wyjdzie że radar dobrze oszacował lub nawet niedoszacował.. 20-30l na 1kg H2

 

Ewidentnie reaktor ma sens jedynie przy zasilaniu zbędną energią elektryczną np. wiatr, słońce itd. ze świata jak w filmie księga ocalenia, mad max itp.

Edytowane 17 lutego 2017 przez Stanley

[Jajcenty 314]

 

 

Na mój chłopski logicznym jest iż każda przemiana w efekcie której h2o zostanie "rozbite" na h2 + o z czymś innym wymaga conajmniej takiej samej ilości energii jaką można odzyskać z połączenia h2 + o prawda? (spalanie)

Prawda, ale tu chodzi o coś innego. Można powiedzieć, że część energii potrzebnej do wytworzenia wodoru pochodzi ze "spalenia" gazu (metanu) w wodzie. Wystarczy odpowiedzieć na pytanie o bilans entalpii dla reakcji: CH₄+2H₂O->CO₂ + 4H₂ . Wyjdzie lepiej bo metan ma wysokie ciepło spalania, wnosi  do układu 891 kJ/mol, wodór wynosi 521 kJ/mol na oko musimy dostarczyć 4*521 - 891 kJ na mol metanu. Energetycznie 0.4 ciepła spalania wodoru finansujemy metanem.

Nie mam dostępu do swoich tablic, więc musisz sam poentalpować.

[kapec 0]

Nie widzę sensu w produkcji wodoru w taki sposób, bo taki wodór ciągle opiera się na paliwach kopalnych, czyli CO2 jest emitowany. tak tak, on jest w adsorbencie, tyle że w końcu to się rozłoży i trafi do atmosfery. Czy chcemy czy nie, wodór powinien być produkowany z wody, bez udziału związków węgla, chyba że węgiel będzie w obiegu zamkniętym. Ewentualnie warto rozważyć zastosowanie węgla do produkcji lekkich węglowodorów, bazując na wodorze z wody. Jak zwykle problemem jest uzysk energetyczny, tyle że bazując na paliwach kopalnych daleko nie zajedziemy, bo nasycimy atmosferę dwutlenkiem węgla, i zużyjemy z niej sporą ilość tlenu. czy chcemy czy nie, eksploatacja paliw jak do tej pory, pcha nas w kierunku klimatu z ery mezozoicznej, do którego nie jesteśmy kompletnie przystosowani jako gatunek.

 

jak produkować wodór? najlepiej na farmie produkcyjnej obok elektrowni atomowych, aby zużyć nadmiar newykorzystanej energi, bo atomówki mają bardzo dużą bezwładność z powodu efektu zatrucia reaktora produktami rozpadów.