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

408004Năng lượng tái tạoGiảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam2013 – 2014, HK1ài giảng 11Ch. 5: Tích trữ năng lượng5.8. Giới thiệu về pin nhiên liệu5.9. Bộ điện phân5.10. Nhiệt động học của pin nhiên liệu5.11. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu5.12. Đặc tính của pin nhiên liệu (lý tưởng và thực)5.13. Các loại pin nhiên liệu2Bài giảng 11Giới thiệu về pin nhiên liệu3Bài giảng 11Giới thiệu về pin nhiên liệuQuá trình tạo ra và lưu trữ điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo, dùng pin nhiên liệu.4Bài giảng 11Giới thiệu về pin nhiên liệu5Bài giảng 11Ứng dụng của pin nhiên liệu6Bài giảng 11Ứng dụng của pin nhiên liệu7Bài giảng 11Ứng dụng của pin nhiên liệuHondaFCXDaiamler B-Class (2010)GMEquinox8Bài giảng 11Ứng dụng của pin nhiên liệuPin nhiên liệuNạp điện từ lưới điện cố địnhXe điện9Bài giảng 11Ứng dụng của pin nhiên liệuPin nhiên liệuNạp điện từ pin mặt trời ngay lúc đang chạyXe điện laiBộ quản lý năng lượng10Bài giảng 11Bộ điện phânDòng 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%.11Bài giảng 11Bộ điện phânNước 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.12Bài giảng 11Bộ điện phân13Bài giảng 11Pin nhiên liệuMàng mỏng cho phép ion dương đi qua, nhưng không cho phép điện tử hay khí trung hòa.14Bài giảng 11Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu15Bài giảng 11Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu16Bài giảng 11Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệuĐể 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.17Bài giảng 11Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu18Bài giảng 11Nhiệt động học PNL: EnthalpyPhản 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 + PV19Bài giảng 11Nhiệt động học PNL: EnthalpyKhi 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.20Bài giảng 11Nhiệt động học PNL: EnthalpyTrong 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.21Bài giảng 11Nhiệt động học PNL: EnthalpyKhi sản phẩm là nước lỏng:Khi sản phẩm là hơi nước: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.22Bài giảng 11Nhiệt động học PNL: Enthalpy23Bài giảng 11Ví dụ 4.8Tìm 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)24Bài giảng 11Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệuTrong 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 DS từ bộ trữ được định nghĩa là25Bài giảng 11Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệuXét 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 entropyNếu quá trình là đẳng nhiệtĐịnh luật nhiệt động học thứ hai dẫn đếnPNLEnthalpy vào HEnthalpyra WeNhiệt sinh ra Q26Bài giảng 11Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệuPhải 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 đồĐiện năng ra We là phần mong muốn, hiệu suất của pin nhiên liệu có thể được định nghĩa làHiệu suất cực đại ứng với Q tối thiểu.27Bài giảng 11Ví dụ 4.9Giả 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) DH = –285,8 kJ/mol H2Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H2Hiệu 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/KSự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng Sproducts = 0,0699 kJ/mol-K  1 mol = 0,0699 kJ/K28Bài giảng 11Ví dụ 4.9Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình làQmin = T( Sreactants –  Sproducts) = 298(0,2325 – 0,0699) = 48,45 kJ/mol H2Enthalpy 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 thiểu29Bài giảng 11Năng lượng tự do Gibbs và hiệu suất PNLHóa 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 DG, 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 DG 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.30Bài giảng 11Ví dụ 4.10Hiệu 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) DH = –285,8 kJ/mol H2Từ 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.DG = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/molVậy,31Bài giảng 11Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởngVới một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực đại do đó bằng với độ lớn của DG. Bên dưới là các đại lượng điện và một số hằng số:q = điện tích của điện tử = 1,602 × 10−19 coulombsN = số Avogadro = 6,022 × 1023 phân tử/molv = thể tích của 1 mol khí lý tưởng tại STP = 22,4 lít/moln = tốc độ hyđrô đi vào pin nhiên liệu (mol/s)I = dòng điện (A), với 1 A = 1 coulomb/sVR = điện áp lý tưởng giữa hai điện cực (volts)P = công suất điện sinh ra (W)32Bài giảng 11Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởngDòng điện qua tải sẽ làI (A) = 192.945nVới pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng, DG = 237,2 kJ/mol (H2), công suất lý tưởng (W) cung cấp cho tải sẽ làP (W) = 237.200nVà điện áp sinh ra giữa các cực của pin nhiên liệu lý tưởng sẽ làVR = P (W)/I (A) = 1,229 VSuất tiêu thụ hyđrô của pin nhiên liệu lý tưởng nàySuất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng/Năng lượng = 30,35 g H2/kWh33Bài giảng 11Đặc tính điện của pin nhiên liệu thựcPNL 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.34Bài giảng 11Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực35Bài giảng 11Ví dụ 4.11Một 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 làI = P / V = 1000 / 48 = 20,83 ADùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có làA = 0,25  I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm236Bài giảng 11Các loại pin nhiên liệuProton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)Alkaline Fuel Cells (AFC)Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)37Bài giảng 11Các loại pin nhiên liệu38Bài giảng 11Các loại pin nhiên liệuĐồng phát điện nhiệt có thể nâng hiệu suất lên đến 70%39Bài giảng 11Các loại pin nhiên liệu40Bài giảng 11Các loại pin nhiên liệu41Bài giảng 11Thí nghiệm tại GPL42Bài giảng 11