Miljöfysik Föreläsning 8 Bioenergi Användningen av bioenergi Verkningsgrad Bränslecell Miljöpåverkan
The Blue Planet
Sustainable World Energy Sustainable World Energy Macroscopic challenges, Microscopic solutions
Challenge: Solar Energy + Global energy demand is increasing = Non-renewable fuel production will peak Solar Fuel Hydrogen Transportation Fuel Intermittent Resource Constant Demand
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
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
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.
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.
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?
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 5000-7000 Tallskog 3000-4000
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.
Biobränslets kapacitet Värmevärde [MJ/m3 ] Bränsle Värmevärde [MJ/kg] Stenkol 33 Tjockolja 41 30000 Bensin 43 31000 Etanol 27 21000 Metanol 20 15000 Fossilgas 52 39 Vätgas 120 11 Ved, 25% fukt 13 3500 Pellets, 0% fukt 19 11000 Ved, 0% fukt 19 5100 Avfall, sopor 10
Fråga Ett kraftverk på 10MW har en total verkningsgrad på 35%. Hur mycket olja med ett värmevärde av 10000 kcal/kg använder man i kraftverket varje dygn?
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.
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 600 106 365 24 60 60 1.892 1016 J Energiskog Energin per m2 : Een skog 6 kwh=6 103 60 60 2.16 107 J Ekärn Een skog A A Area Ekärn 1.892 1016 A Een skog 2.16 107 109 m2 1000 km2
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 =4 0.2 1.25 kg. Energin från socker =17 4 0.2 1.25 106 J Instrålade energin=1000 103 60 60 J 17 4 0.2 1.25 106 Verkningsgraden = 0.47% 3 1000 10 60 60 1000 kwh per
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.
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
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 1.6-1.7 ev H2O/O2 Oxygen Electrode (Metal Anode) Eg Valence Band Hydrogen Electrode Ohmic (Semiconductor Cathode) Contact
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
Elementary Surface Reactions - Catalysis
The Catalyst Challenge Understanding reaction mechanism and dynamics
Probing Intermediates
Probing Transition States
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.
Omvänd elektrolys work Elenergi! O2 H2 Bränslecell H2O Värmeenergi En process som gör "omvänd elektrolys" skulle ge energi ut! Bränslecell!
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
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%
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
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.
Sammanfattning Bio Bioenergianvändningen har ökat Ganska låg verkningsgrad Farliga utsläpp Bränslecell Dyrbar men har vissa fördelar i jämförelse med t.ex. sol- och vindenergi
Materia Energi-massa ekvivalensen = Ljushastigheten c 3x108 m/s Potentiell och kinetisk energi så massan m beror av hastigheten = = + = + 4 + /
Växelverkningar Heisenbergs obestämbarhetsprincip ℏ ℏ Fluktuationer e ergi ka lå as u der begränsad tid. Ju mer energi (massa) desto kortare tid.
Växelverkningar Växelverkan beskrivs som utbyte av (virtuella) partiklar Gravitation gravitino (?) Elektromagnetism (virtuella) fotoner ( = ) Svag växelverkan - sönderfall W-bosoner Stark växelverkan mesoner (kort räckvidd)
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
Enheter I kärnenergisammanhang använder vi ev, MeV osv. 1 ev = 1.602 10 Massan + = Pionens massa: =. /, = / Hur långt når krafterna? 19 J. 2
Nuklidkartan Sönderfall Svart stabilt Röd - + Blå - Gul α Grön spontan fission
Nukliddalen Stabiliteten beror av förhållandet mellan neutroner och protoner
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
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.
Radioaktiva isotoper Man kan skapa radioaktiva isotoper artificiellt via kärnreaktioner. T.ex. 27 13 30 Al 15 P 01n 30 15 P sönderfaller snabbt via ett -sönderfall 30 15 P 1430 Si e Såna reaktioner används som biologiska "spårämnen".
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 235 92 U 236 92 89 1 U * 144 Ba Kr 3 56 36 0n 1 0 n 235 92 U 236 92 94 1 U * 144 Xe Kr 2 54 38 0n 200 MeV kinetisk energi släpps ut. Obs! 1 inkommande neutron men 2-3 neutroner kommer ut!
En kaskad av radioaktiva sönderfall äger rum 140 54 140 140 140 Xe 140 Cs Ba La 55 56 57 58 Ce 16s 66s 13d 40h
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.
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 (8.5 7.6) 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)
Att förstå fission med vätskedroppsmodellen av kärnan Betrakta kärnan som en vätskedroppe som bär en elektrisk laddning. (a) En U kärna absorberar en neutron 235 236 U* (b) Den extra energin leder till oscillationer (c) Repulsionen mellan de två "flikarna" leder till splittring.
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.
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.
Sammanfattning Kärnreaktioner ger transmutationer Kedjereaktion med inducerad fission ~200 MeV per fission Kärnkraftverk utnyttjar fission Olyckor kan äga rum!.