Miljöfysik. Föreläsning 8. Bioenergi Användningen av bioenergi Verkningsgrad Bränslecell Miljöpåverkan

Transkript

1 Miljöfysik Föreläsning 8 Bioenergi Användningen av bioenergi Verkningsgrad Bränslecell Miljöpåverkan

2 The Blue Planet

3 Sustainable World Energy Sustainable World Energy Macroscopic challenges, Microscopic solutions

4 Challenge: Solar Energy + Global energy demand is increasing = Non-renewable fuel production will peak Solar Fuel Hydrogen Transportation Fuel Intermittent Resource Constant Demand

5 Challenge: Reduction of CO2 Plants use solar energy to convert CO2 and H2O to sugars Convert CO2 to fuels Methanol, Ethanol Hydrocarbons etc. Could we find semiconductor that can do the job? Multielectron and proton transfer

6 Sustainable Fuels Storing Solar Energy in Chemical Bonds Catalysis is key Biomass fuels Electricity fuels Direct sunlight fuels (artificial photosynthesis) Novel catalysts needed Made from Earth abundant materials

7 Bioenergi Bioenergi är energi som erhålls ur biologiskt material - biomassa. T.ex. skogsprodukter, energiskog, jordbruksprodukter, avfall, gödsel.. De kan utnyttjas som bränsle (direkt : ved) eller efter mekaniskt bearbetande (flis, pellets) eller biologisk omvandling till gasformiga eller flytande bränslen (biogas, bioetanol m.m.) Även gasifiering.

8 Bioenergi Energin har sitt ursprung i solstrålningen och blir kemisk energi vid fotosyntesen. Vi förbränner materialet : kemisk energi termisk energi. Lagringstätheten är stor (energimängd per kg). Förlusterna under lagringstiden är små.

9 Användningen av biobränslen I Sverige används biobränsle inom skogsindustrin, för husuppvärmning, i fjärrvärmeverk. Vi använder 100TWh per år 23% av Sveriges energianvändning. Användningen har ökat mycket starkt. Enskilda värmepannor har ersatts av stora centraler. Vad är fördelen?

10 Fråga Tabellen nedan anger hur mycket energi som ges per år per m2 av några grödor. Beräkna deras verkningsgrad. Instrålningen under ett år i Sverige är 1000 kwh/m2. Gröda Årlig energilagring Wh/m2 Energiskog Tallskog

11 Bränslets kapacitet Varje typ av bränsle har ett värmevärde. Värmevärde en term som anger hur stor energi som utvecklas vid förbränning av en viss mängd av ett bränse. Energi Energi,. Man kan uttrycka värmevärde som : massa volym dvs hur mycket energi fås ut vid förbränning för ett material so med en viss massa eller en viss volym.

12 Biobränslets kapacitet Värmevärde [MJ/m3 ] Bränsle Värmevärde [MJ/kg] Stenkol 33 Tjockolja Bensin Etanol Metanol Fossilgas Vätgas Ved, 25% fukt Pellets, 0% fukt Ved, 0% fukt Avfall, sopor 10

13 Fråga Ett kraftverk på 10MW har en total verkningsgrad på 35%. Hur mycket olja med ett värmevärde av kcal/kg använder man i kraftverket varje dygn?

14 Att utnyttja biobränsle Metangas bildas i gamla soptippar. Kan ledas till ett fjärrvärmeverk. Kan också användas för fordonsdrift. Bioalkoholer t.ex. etanol har stora värmevärden Man använder E-85 : 85% etanol, 15% bensin På sikt kan man använda cellulosa från skogsavfall. 20kWh/kg.

15 Fråga Ett kärnkraftsaggregat ger effekten 600MW ut på elnätet. Uppskatta hur stor area som skulle behövas om man kunde låta biobränsle ersätta kärnkraftverket. Kärnkraftverk Energi per år: Ekärn J Energiskog Energin per m2 : Een skog 6 kwh= J Ekärn Een skog A A Area Ekärn A Een skog m km2

16 Fråga På 1m2 åker kan man odla fyra sockerbetor som vardera får massan 1.25kg. Sockerhalten är 20%. Energivärdet för socker är 17 MJ/kg. Beräkna sockerbetans verkningsgrad. Totala instrålade energin under ett år i Sverige är m2. Sockermassan = kg. Energin från socker = J Instrålade energin= J Verkningsgraden = 0.47% kwh per

17 Bränslecell För att få el brukar man förbränna biobränsle i ett värmekraftverk. låg verkningsgrad so 30%. En bränslecell omvandlar direkt biobränsle till el. Bränslecellen är som ett uppladdningsbart batteri som tillförs energi inte genom uppladdning med so elektrisk ström utan genom tillförsel av kemisk energi i bränslet.

18 Hydrogen Dream The pro ise of ge erati g fuel fro ature s ost ple tiful resources sunlight and water "I believe that water will one day be employed as fuel, that hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of which coal is not capable. I believe then that when the deposits of coal are exhausted, we shall heat and warm ourselves with water. Water will be the coal of the future. Jules Vernes (1870), "L île mystérieuse

19 Photo-Electrochemical Hydrogen Production How does the reaction proceed on a molecular level? Can it be improved? Solar Energy (photons) Current 2H2O + 4h+ 4H+ 2H2O + 2e- 2OH- + H2 + O2 (+) (-) Oxygen Hydrogen Conduction Band H2O/H2 Water 1.23 ev ev H2O/O2 Oxygen Electrode (Metal Anode) Eg Valence Band Hydrogen Electrode Ohmic (Semiconductor Cathode) Contact

20 Fuel Cell Electro-Catalysis H2O2 e- O2H H+ O=O e- Molecular Oxygen adsorption H+ (Au, Hg) e- H+ OH O - Pt e- e Formation of Pt (hydr)oxides H+ OH2 Water ad/desorption e- Surface Science Membrane H2 e- O2 e- O2 H2O Cathode Anode POWER H2O(l) Oxygen Reduction Reaction (ORR) O2 + 4H+ + 4e- 2 H2O

21 Elementary Surface Reactions - Catalysis

22 The Catalyst Challenge Understanding reaction mechanism and dynamics

23 Probing Intermediates

24 Probing Transition States

25 Elektrolys Ett batteri används för att separera NaCl joner: NaCl Na Cl NaCl är en elektrolyt. Elektrolytlösningen bildas när saltet placeras i ett lösningsmedel såsom vatten. Na katod, Cl anod Batteriet utför arbetet.

26 Omvänd elektrolys work Elenergi! O2 H2 Bränslecell H2O Värmeenergi En process som gör "omvänd elektrolys" skulle ge energi ut! Bränslecell!

27 H 2 2e 2 H Bränslecell Elektroner som frigjorts vid anoden upprätthåller en elektrisk spänning mot katoden. Ström! Väteatomerna reagerar vid katoden: 4e 4 H 2O2 2 H 2O Kall förbränning. Anod Katod

28 Bränslecell Biobränslen som metan (från kompostering) eller alkohol (framställd av biomassa) kan utnyttjas som bränsle. Verkningsgrad : Det maximala teoretiska värdet (man förlorar spillvärme) I praktiken 60% Restprodukten - vatten! 80-90%

29 Bränsleceller Uppfanns 1838! NASA gjorde den första kommersiella användningen (el till sonder, 80-talet) Olika storlekar : Små experimentceller och stora anläggningar. Används i sjukhus (reservel) Bra alternativ till uppladdningsbara batterier (t.ex. i bussar) De är inte billiga men kan tidsregleras Kan användas i kombination med t.ex. vind- och sol-kraft. Apple Data Centre

30 Miljöpåverkan CO2 bildas vid förbränning. Lika stor mängd CO2 som växten tog upp ur luften under sitt liv. Om marken återplanteras kan nya växter ta upp CO2 Vedeldning kan ge stora utsläpp av miljöfarliga ämnen om förbränningen inte är fullständig. Man använder elektrofilter, vattenskrubber och katalysator för att rena rökgaserna. Askhalten i biobränsle 1-3% som innehåller näringsämnen som växten tog upp från marken (t.ex. Ca, K). Askan används som gödning. En del av avfallet är t.ex. plast som har sitt ursprung i råolja. Dessutom är metan en växthusgas. nettoökning av växthusgaser.

31 Sammanfattning Bio Bioenergianvändningen har ökat Ganska låg verkningsgrad Farliga utsläpp Bränslecell Dyrbar men har vissa fördelar i jämförelse med t.ex. sol- och vindenergi

32 Materia Energi-massa ekvivalensen = Ljushastigheten c 3x108 m/s Potentiell och kinetisk energi så massan m beror av hastigheten = = + = /

33 Växelverkningar Heisenbergs obestämbarhetsprincip ℏ ℏ Fluktuationer e ergi ka lå as u der begränsad tid. Ju mer energi (massa) desto kortare tid.

34 Växelverkningar Växelverkan beskrivs som utbyte av (virtuella) partiklar Gravitation gravitino (?) Elektromagnetism (virtuella) fotoner ( = ) Svag växelverkan - sönderfall W-bosoner Stark växelverkan mesoner (kort räckvidd)

35 Växelverkningar Fysikaliska egenskaper[1] Laddning π+: e (1,602 C π : e, C Massa π+:, MeV/c2 π :, MeV/c2 Medellivslängd π+:,, π :, s π+: uppkvark + antinerkvark π-: nerkvark + antiuppkvark Pionen utbytespartikel Gluoner ger växelverkan mellan kvarkar s

36 Enheter I kärnenergisammanhang använder vi ev, MeV osv. 1 ev = Massan + = Pionens massa: =. /, = / Hur långt når krafterna? 19 J. 2

37 Nuklidkartan Sönderfall Svart stabilt Röd - + Blå - Gul α Grön spontan fission

38 Nukliddalen Stabiliteten beror av förhållandet mellan neutroner och protoner

39 Kärnreaktioner En transmutation är när ett grundämne eller en isotop omvandlas till ett annat grundämne eller en annan isotop. Vi kan orsaka en transmutation via en kärnreaktion. T.ex. den första inducerade transmuta tionen i ett laboratorium (1919) 147 N 178 O 11 p 4 2 Betrakta en kärnreaktion när partikel a växelverkar med en kärna X. En ny partikel b och en ny kärna Y. a X Y b

40 Reaktionens energi Q bestäms av masskillnaden mellan partiklar i början och slutet. Q mc 2 ma mx my mb c 2 Q 0 exotermisk reaktion energin släpps ut som kinetisk energi och -strålar. Q 0 endotermisk reaktion inkommande partikar måste ha en total energi som är Q för att reaktionen ska äga rum. Q 0 Den totala kinetiska energin förändras inte.

41 Radioaktiva isotoper Man kan skapa radioaktiva isotoper artificiellt via kärnreaktioner. T.ex Al 15 P 01n P sönderfaller snabbt via ett -sönderfall P 1430 Si e Såna reaktioner används som biologiska "spårämnen".

42 Fission Fissionen upptäcktes 1938 av Otto Hahn, Fritz Strassman och Lise Meitner. I naturen består U av 2 isotoper: U 99.3% och 238 U 0.7%. 235 De båda isotoperna splittras om de växelverkar med neutroner (s.k. inducerad fission) T.ex. 1 0 n U U * 144 Ba Kr n 1 0 n U U * 144 Xe Kr n 200 MeV kinetisk energi släpps ut. Obs! 1 inkommande neutron men 2-3 neutroner kommer ut!

43 En kaskad av radioaktiva sönderfall äger rum Xe 140 Cs Ba La Ce 16s 66s 13d 40h

44 Varför släpps energi ut efter fission? B bindningsenergi per A nukleon (proton/neutron) A De lätta kärnorna Ba och Kr har större bindningsenergi per nukleon än U.

45 Energin som släpps ut Bindningsenergi per nukleon för U 7.6 MeV. Bindningsenergi per nukleon för kärnor med antalet protoner mellan 90 och 150) 8.5 MeV. Energin som släpps ut 236 ( ) 200 MeV. 70% släpps ut som kinetisk energi hos kärnorna. 30% släpps ut som emitterade neutroner,, -strålar. Jämför med urans "kemiska energi". Förbränningsprocessen U O2 UO2. 1 ev per atom släpps ut << fissionsenergin (200 MeV)

46 Att förstå fission med vätskedroppsmodellen av kärnan Betrakta kärnan som en vätskedroppe som bär en elektrisk laddning. (a) En U kärna absorberar en neutron U* (b) Den extra energin leder till oscillationer (c) Repulsionen mellan de två "flikarna" leder till splittring.

47 Kedjereaktion! 1 neutron går in, 2-3 neutroner går ut! De inducerar fission i andra kärnor. En kritisk massa krävs för att tillåta processen att öka med tiden. Det beror på materialet, geometrin och utrustningen. Processen används i kärnkraftverk och atombomber.

48 Kontrollerad fission - kärnkraftverk I genomsnitt får man 2.5 neutroner i en 235 U fission. Fission äger rum i reaktorns härd som kyls av vatten. Kontrollstav (bor) absorberar neutroner som sänker reaktions farten. Det är mer sannolikt att långsamma neutroner inducerar fission. Kollisioner med en moderator sänker farten. Reaktorn värmer vattnet och ånga driver turbiner som producerar effekt.

49 Sammanfattning Kärnreaktioner ger transmutationer Kedjereaktion med inducerad fission ~200 MeV per fission Kärnkraftverk utnyttjar fission Olyckor kan äga rum!.