Hidrogéntárolás Mg-alapú nemegyensúlyi rendszerekben

Hasonló dokumentumok
Hidrogéntárolás Mg-alapú nemegyensúlyi ötvözetekben

Deformáció hatása a hidrogéntárolás tulajdonságaira Mg-alapú amorf ötvözetben

Hydrogen storage in Mg-based alloys

Nagynyomású csavarással tömörített réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és termikus stabilitása

Réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és mechanikai viselkedése

Kriston Ákos, Fuel Cell Hungary, ELTE Október 25. Gyır

Gyepes Tamás, Kriston Ákos STS Group Zrt. Eötvös Loránd Tudományegyetem, Kémiai Intézet, Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium

Megújuló energiaforrások

- HTTE - Hidrogéntermelı tároló egység (járművek meghajtásához) Szerzı:

fizikai szemle 2019/3

STS GROUP ZRt. FUELCELL (Hidrogén üzemanyagcellás erőművek). Előadó: Gyepes Tamás (Elnök Igazgató) Kriston Ákos. Vándorgyűlés előadás,

Megújuló energiák szerepe a villamos hálózatok energia összetételének tisztítása érdekében Dr. Tóth László DSc - SZIE professor emeritus

a jövő energiahordozója

Diffrakciós spektrumok modellezése a mikroszerkezet tulajdonságai alapján

Az alacsony rétegződési hibaenergia hatása az ultrafinom szemcseszerkezet kialakulására és stabilitására

Mikropillárok plasztikus deformációja 3.

TÉMA ÉRTÉKELÉS TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR (minden téma külön lapra) június május 31

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata 4. félév

Aktuális kutatási trendek a villamos energetikában

A fenntartható energetika kérdései

MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA SZILÁRDTESTFIZIKAI ÉS OPTIKAI KUTATÓINTÉZET (MTA SZFKI)

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Tüzeléstan előadás Dr. Palotás Árpád Bence

Major Ferenc részlegvezető ACIS Benzinkúttechnika kft.

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Energetikai gazdaságtan. Bevezetés az energetikába

NCST és a NAPENERGIA

Protoncserélő membrános hidrogén - levegő tüzelőanyag-cellák működési elve, szabályozása és alkalmazása

A biomassza rövid története:

E-mobilitás konferencia és mérnöki kamarai szakmai továbbképzés AUTOMOTIVE Hungary október 18., Budapest. Tompos András

FEI Quanta 3D SEM/FIB. Havancsák Károly december

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Szemcsehatárcsúszás és sebességérzékenységi tényező ultra-finomszemcsés Al-30Zn ötvözet plasztikus deformációjában. Visegrád 2011

PiAndTECH FluidKAT katalitikus izzóterek

Textíliák felületmódosítása és funkcionalizálása nem-egyensúlyi plazmákkal

Napenergia rendszerek létesítése a hazai és nemzetközi gyakorlatban

Az elállítási körülmények hatása nanoporokból szinterelt fémek mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira

Energiatárolás szerepe a jövő hálózatán

ERŐMŰVI FÜSTGÁZBÓL SZÁRMAZÓ CO₂ LEVÁLASZTÁS KÖRNYEZETI HATÁSAINAK VIZSGÁLATA ÉLETCIKLUS ELEMZÉSSEL. Sziráky Flóra Zita

tiszta, halk és teljesen emisszió mentes. A hidegén -mint energiahordozó- lehetővé teszi a megújuló energiák felhasználást a közeledésben.

Új technológiák, magyar fejlesztések a megújuló energia területén Gróf Gyula BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

AZ INERT ANÓDOK HATÁSA AZ ELSŐDLEGES ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁS ENERGIAIGÉNYÉRE ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAIRA

Megújuló energiák hasznosítása: a napenergia. Készítette: Pribelszky Csenge Környezettan BSc.

Víz. Az élő anyag szerkezeti egységei. A vízmolekula szerkezete. Olyan mindennapi, hogy fel sem tűnik, milyen különleges

A NAPENERGIA HASZNOSÍTÁSÁNAK HAZAI LEHETŐSÉGEI. Farkas István, DSc egyetemi tanár, intézetigazgató

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Megújuló energia, megtérülő befektetés

Fosszilis energiák jelen- és jövőképe

Energetikai trendek, klímaváltozás, támogatás

A szén-dioxid megkötése ipari gázokból

Mikroszerkezet Krisztallitonként Tömbi Polikristályos Mintában

Közlekedésenergetika

Bodnár István PhD hallgató Miskolci Egyetem Sályi István Gépészeti Tudományok Doktori Iskola

Plazmasugaras felülettisztítási kísérletek a Plasmatreater AS 400 laboratóriumi kisberendezéssel

Hulladékból energiát technológiák vizsgálata életciklus-elemzéssel kapcsolt energiatermelés esetén Bodnár István

Hálózati akkumulátoros energiatárolás merre tart a világ?

Energetikai Szakkollégium április 5. Dr. Gács Iván BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Deformáció hatása a hidrogéntárolás tulajdonságaira Mg-alapú amorf ötvözetben

K+F lehet bármi szerepe?

Havancsák Károly Nagyfelbontású kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp az ELTÉ-n: lehetőségek, eddigi eredmények

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV. A mérési jegyzőkönyvet javító oktató tölti ki! Kondenzációs melegvízkazám Tanév/félév Tantárgy Képzés

FELVONÓK ENERGIA-HATÉKONYSÁGA

Emissziócsökkentés és az elektromos közlekedés jelentősége október 7. Energetikai Körkép Konferencia

Zöldenergia szerepe a gazdaságban

Szuper kondenzátorok és egyéb tároló elemek alkalmazása az intelligens villamos energia hálózaton

Dankházi Z., Kalácska Sz., Baris A., Varga G., Ratter K., Radi Zs.*, Havancsák K.

A villamosenergia-termelés szerkezete és jövője

Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata. Két cellás H-típusú MFC

NAPELEMEK KÖRNYEZETI SZEMPONTÚ VIZSGÁLATA AZ ÉLETCIKLUS ELEMZÉS SEGÍTSÉGÉVEL. Darvas Katalin

Kapcsolt energia termelés, megújulók és a KÁT a távhőben

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Hidrogén alapú villamosenergia-tárolás szigetüzemű rendszerekben. Milánkovich Attila, E.ON Hungária

Porkohászati módszerekkel előállított ultrafinom szemcsés fémek mikroszerkezete és mechanikai tulajdonságai

Nanotudományok vívmányai a mindennapokban Lagzi István László Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék

Dr. Berta Miklós egyetemi adjunktus Széchenyi István Egyetem Fizika és Kémia Tanszék

A nap- és szélerőművek integrálásának kérdései Európában. Dr. habil Göőz Lajos professor emeritus egyetemi magántanár

Napelemek és napkollektorok hozamának számítása. Szakmai továbbképzés február 19., Tatabánya, Edutus Egyetem Előadó: Dr.

Az enhome komplex energetikai megoldásai. Pénz, de honnan? Zalaegerszeg, 2015 október 1.

A megújuló energiahordozók szerepe

AZ INERT ANÓDOK HATÁSA AZ ELSŐDLEGES ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁS ENERGIAIGÉNYÉRE ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAIRA

Az Energia[Forradalom] Magyarországon

Az anyagok mágneses tulajdonságai

Végleges szakmai jelentés OTKA Posztdoktori Kutatási Pályázat

Mérnöki alapok 8. előadás

Innovációs leírás. Hulladék-átalakító energiatermelő reaktor

Ciklodextrinek alkalmazási lehetőségei kolloid diszperz rendszerekben

Zeolitos tufa alapú nanodiszperz rendszer tápelem hordozó mátrixnak

Badari Andrea Cecília

A JÖVŐ OKOS ENERGIAFELHASZNÁLÁSA

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Hidrogén tüzelőanyag-cellás járműhajtás az E-mobilitás szerves része

A napenergia hasznosítás támogatásának helyzete és fejlesztési tervei Magyarországon Március 16. Rajnai Attila Ügyvezetı igazgató

Energia- és Minőségügyi Intézet Tüzeléstani és Hőenergia Intézeti Tanszék. Energiahordozók

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

LNG felhasználása a közlekedésben április 15. Kirilly Tamás Prímagáz

Szakértesítő 1 Interkerám szakmai füzetek A folyósító szerek viselkedése a kerámia anyagokban

PHYWE Fizikai kémia és az anyagok tulajdonságai

A FIRE STRYKER TŰZOLTÓKÉSZÜLÉK

Átírás:

Hidrogéntárolás Mg-alapú nemegyensúlyi rendszerekben Révész Ádám Eötvös Loránd Tudományegyetem, Fizika Intézet Anyagfizikai Tanszék 2011. November 7.

Kivonat Hidrogéngazdaság Hidrogéntárolás nemegyensúlyi Mg-alapú ötvözetekben mikroszerkezet H-tárolási paraméterek Nb 2 O 5 katalizátor jelenlétében őrölt nanokristályos MgH 2 Hidrogéntárolás nanokristályos Mg 70 Ni 30 ötvözetekben Hidrogéntárolás amorf Mg 65 Cu 5 Ni 20 Y 10 ötvözetben 2 2

NÉPESSÉG 2011 október 31: 7 milliárd ENERGIA-FOGYASZTÁS 4X 2050: 10 milliárd 3

Energiaforrások Megújuló Víz Biomassza Szél Napsugárzás Geotermikus Nem megújuló Szén Kőolaj, földgáz CO 2 Biomassza 14% Hullám Nem megújuló 80% (2003) 4

Egyenlőtlen eloszlás mind térben mind időben 5 ENERGIATÁROLÁS

A jövő egyik nagy ígérete: a HIDROGÉN mint energiahordozó Szinte korlátlan mennyiség a Földön H 2 +O 2 H 2 O, környezetkímélő Üvegházhatás jelentősen csökkenthető Legkönnyebb elem, legjobb energia/tömeg hányados (legjobb valencia elektron/nukleon hányados) DE: Természetes állapotban alig fordul elő (~1% molekuláris gáz) Probléma: gazdaságos és biztonságos tárolás!!! Előítélet. (Zeppelinek) 6

Hidrogéngazdaság ELŐÁLLÍTÁS SZÁLLÍTÁS TÁROLÁS ÁTALAKÍTÁS ALKALMAZÁS CÉL: üvegházhatást kiváltó CO 2 kibocsátás jelentős csökkentése 7

Hagyományos technológiák Földgáz, nehézolaj parciális oxidációja (1000 GJ/h 10 5 m 3 /h) Szénhidrogének pirolízise Csak CCS (CO 2 capture and storage) esetén van jövőbeli alkalmazhatósága Elektrolízis: Hidrogéntermelés 3-4x energiaigény, drágább kisebb volumenű/osztott hidrogéntermelés esetén versenyképes, pl. szél, napenergia Biomasszából kémiai módszerekkel Biomassza pirolízise magas T-n Fotokatalitikus vízbontás 8 Napfény+katalizátorok új fotokatalitikus félvezetők nanostruktúrált anyagok

Hidrogénszállítás Ki kell építeni a hidrogéngazdaság infrastruktúráját Központi elosztás Vasút, hajó, közúti szállítás: HYApproval: biztonság!! Csővezetékek, USA, EU: jelenleg 2600 km: H 2 Hyway (földgázvezeték ~4x10 6 km ) De technológia lehetővé teszi, hogy bizonyos mennyiségű H 2 keverhető Helyi elosztás Hidrogén töltőállomások (~1000 hidrogénüzemű jármű, 60 kút EU-ban): ma még elsősorban nagynyomású gáz formájában tárolják USA, Dept. Of Energy: 2017-re H 2 : 1$/kg 9

CSEPPFOLYÓS drága alapberuházás űrtechnológia Hidrogéntárolás GÁZ Mai gépkocsi prototípusok: szénszálas kompozit Biztonság! SZILÁRD 1. Molekuláris H 2 : fiziszorpció Van der Waals erők: 1-5 kj/mol nagy fajlagos felület SZILÁRD 2. Atomos H: kemiszorpció Tetraéderes/oktaéderes intersticiális helyekre ül be a hidrogén Kémiai kötés: hidridfázis 15-20%-os térfogatvált, >40 kj/mol fémhidridek komplex hidridek MOF 10 szén nanocső, grafén

Átalakítás Hidrogén tüzelőanyag-cellák (FC): A hidrogén kémiai energiája közvetlenül alakul elektromos energiává (és hővé) 50-60%-os hatásfokkal víz fejlődése mellett PEMFC Protonvezető membrán (H + ) (polimer elektrolit) Katalizátor (anód: PtRu, PtRh, Pt/WO 3 ) (katód: Pt, PtV, PtCr) Gázdiffúziós réteg (módosított szénszövet) Bipoláris lemez 11 (O 2- ) Margitfalvi J.

Telepített (helyhez kötött) Nagy átalakítási hatásfok Alkalmazási területek Háztartások (1-50 kw) Középületek, ipari, mg.-i létesítmények (50-500kW) Erőművek (500kW<): egyelőre távoli cél. Közlekedési (on-board) Személygépkocsi-gyártás: hibrid FC+elektromos+bioüzemanyag (fajlagos költségek egy nagyságrenddel meghaladják a jelenlegi technológiákat) Jelenlegi FC-buszok: 10 6 km, 10 5 h üzemidő, 4000 /kw, 2000 h élettartam Dánia: dízelmozdonyok részleges cseréje hidrogén tüzelőanyag-cellás vonatokra Hordozható (mobil) 12 Mobiltelefonok, laptopok akkumulátorai (Li-ion elemeknél 5-10x energiasűrűség) Szünetmentes tápegységek Katonai-védelmi szolgáltatások

13

Hidrogéntárolás Mg-alapú nanokristályos rendszerekben Polikristályos Mg kiváló tömegegységre vonatkozó kapacitás Fémoxid katalizátorok hozzáadásával 7-8 % gyenge kinetika magas T des Mg DE: Nanokristályos Mg kinetika drasztikusan javul T des jelentősen csökken 14

H-tárolást leíró fizikai paraméterek Maximális kapacitás * Kinetika (H-leadás/felvétel) * Hőmérséklet, termikus stabilitás * Nyomás Tartósság Élettartam (cyclic life) 15 A legnagyobb kihívás a paraméterek együttes optimalizálása

Kapacitás Kinetika Bormann et al. SM 49 (2003) 213 Hőmérséklet Bormann et al. J. All. Comp 315 (2001) 237 Élettartam Mg-Ni-Nd 16 Yin et al. Mat. Trans. 43 (2002) 417 Han et al. J.All. Comp 330-332 (2002) 841

Nb 2 O 5 katalizátor jelenlétében őrölt nanokristályos MgH 2 polikristályos MgH 2 golyósőrlés 5 atm Ar gáz alatt nanokristályos MgH 2 17

Intenzitás (tetsz. egys.) Katalizátor szerepe Szemcsék felületén kialakuló oxidréteg megakadályozása H 2 disszociáció és rekombináció Diffúzió -MgH 2 -MgH 2 Nb 2 O 5 nano-90 nano-40 nano-15 nano-mgh 2 poly-mgh 2 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2 (deg) D =9 nm: 2 óra őrlés után: nano-mgh 2 18 D. Fátay, T. Spassov, P. Delchev, G. Ribárik, Á. Révész, Int. J. Hydrogen Energy (2007)

Reaction fraction, Reaction fraction, Sieverts-típusú készülék (PCT) szelep H-kinetikai vizsgálatok Manométer szelep 1.0 nano-mgh 2 + 2mole% Nb 2 O 5 poly-mgh 2 + 2mole% Nb 2 O 5 H-tartály Minta kamra Vákuum pumpa 0.5 poly-mgh 2 Absorption 300 C, 8.5 atm 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 t,s 1.0 Desorption 300 O C poly-mgh 2 0.9 0.8 Katalizátor: Csak kissé javítja a kinetikát Mikroszerkezet szerepe 19 Á. Révész, D. Fátay, D. Zander, T. Spassov, J. Metastable Nanocryst. Mater. (2005) 0.7 0.6 nano-mgh 2 + 2mole% Nb 2 O 5 poly-mgh 2 + 2mole% Nb 2 O 5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 t,s

T des ( o C) E akt (kj/mol) Tömegváltozás (%) Termogravimetria 440 430 420 410 400 390 380 370 360 poly-mgh 2 nanoszerk. 100 99 98 97 96 95 94 93 nano-mgh 2 Hõmérséklet ( o C) nano-15 nano-40 nano-90 katalizátor 100 200 300 400 poly-mgh 2 nano-mgh 2 nano-15 nano-40 nano-90 180 160 140 120 100 80 nano-mgh 2 poly-mgh 2 nano-15 nano-40 nano-90 350 0 20 40 60 80 100 Õrlési idõ (min) 60 0 20 40 60 80 100 Őrlési idő (min) Deszorpciós hőmérséklet csökkenthető Optimális őrlési idő Katalizátor: Jelentősen csökkenti az MgH 2 Mg+ H 2 folyamat aktiválási energiáját Felület kémiailag már aktív Kemény katalizátor részecskék benyomódnak a hidridszemcsékbe D. Fátay, Á. Révész, T. Spassov J. Alloys Compounds (2005)

Hidrogéntárolás nanokristályos Mg 70 Ni 30 porokban és kompaktokban SPEX 8000 rázómalom Nagynyomású csavarás(hpt) Képlékeny deformáció nagy térfogatban Extrém deformáció érhető el egyéb deformációs technikákkal összevetve 21 Őrlési idő(h) 0 1 HPT 3,5 4,5 7 10 HPT L=200 μm: mintavastagság t rev =60 s: csavarási periódusidő N=5: fordulatok száma p=6 Gpa: alkalmazott nyomás

Morfológia 1 óra 10 óra Mg 65at.% Ni 35at.% Mg+Ni ~Mg 2 Ni m=80 μm, σ=0.47 m=7 μm, σ=0.46 22

Intensity (a.u.) Nagyfelbontású, helyzetérzékeny röntgendiffrakció Konvolúciós teljes vonalprofil illesztési eljárás (CMWP) (Ungár T., Gubicza J., Ribárik G.) teljes mért pordiffrakciós spektrumot illeszti egy háttér függvény és ab-initio elméleti profilok összegével Lognormális krisztallit-méreteloszlás: Measured data Fitted curve Difference 23 mikroszerkezeti paraméterek: m,,, R e Koherensen szóró tartományok: D=m*exp(2.5σ 2 ) 20 30 40 50 60 Two Theta (deg)

Frequency (a.u.) Mikroszerkezet CMWP illesztési eljárás: 7hours Mg coherent domain size-distribution Szemcsefinomodás és homogenizáció nano- és mikronos skálán 4.5hours 24 Á. Révész, Zs. Kánya, T. Verebélyi, P.J. Szabó, A.P. Zhilyaev, T. Spassov: J. All. Compds. 2010 1hour as-received 0 50 100 150 200 250 300 350 400 R (nm)

Dislocation density ( ) [10 13 m -2 ] HPT HPT A HPT hatása a mikroszerkezetre 140 I(101)/I(002): 2.5 0.8 120 100 Mg 70at.% Ni 30at.% 80 60 40 20 0 Mg+Ni Mg 2 Ni(+Ni) 25 Mg 62at.% Ni 38at.% 0 2 4 6 8 10 Milling time [hour] Finomabb mikroszerkezet Pórusmentes kompaktok Nincs szilárdfázisú reakció Textúra

wt. % hydrogen wt.% hydrogen H-kinetikai vizsgálatok 3,2 2,8 3,2 2,8 Mg 2 NiH 3.3 2,4 2,0 1h BM+HPT 2,4 2,0 10h BM+HPT 1,6 1,2 0,8 1h BM Mg+Ni 1,6 1,2 0,8 10h BM ~Mg 2 Ni 0,4 0,0 T=573K p=13 atm 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Time [s] 0,4 0,0 T=573K p=13 atm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time [s] A HPT hatása: Gyakorlatilag tökéletes hidrogén-adszorpció a különböző fázisok, mikroszerkezet ellenére 26 Á. Révész, D. Fátay, T. Spassov J. Mater. Research (2007) Rácshibák (diszlokációk) szerepe

Hidrogéntárolás amorf Mg 65 Cu 5 Ni 20 Y 10 ötvözetben Gyorshűtés Aprítás + Előkompaktálás Nagynyomású csavarás L=500 μm: mintavastagság t rev =300 s: csavarási periódusidő N=1, 2, 5: fordulatok száma p=4 Gpa: alkalmazott nyomás 27

Deformációfüggő mikroszerkezet center edge Mg 2 Ni 28

Kalorimetria Nagynyomású kalorimetria disk edge disk center T sorp Amorf állapot: szabadtérfogat, kisebb atomsűrűség, diffúziós hossz növekedése H-felvétel hőmérséklete jelentősen csökken Deformált állapot (Amorf nanokompozit): Mg 2 Ni szemcsék megjelenés 29 Kapacitás jelentősen nő Á. Révész, Á. Kis-Tóth, L.K. Varga, E. Schafler, I. Bakonyi, T. Spassov: Int. J. Hydrogen Energy beküldve

30 Köszönöm Tony Spassov Univ. Sofia, Bulgária Fátay Dániel ELTE Anyagfizikai Tanszék Kis-Tóth Ágnes, Kánya Zsolt, Verebélyi Tamás - ELTE Anyagfizikai Tsz. Szabó Péter János BME Varga Lajos Károly MTA-SZFKI Erhard Schafler Univ. Wien, Ausztria Alex P. Zhilyaev USC, USA D. Zander Univ. Dortmund, Németország T. Klassen, R. Bormann GKSS Geesthacht, Németország TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0003 COST MP1103 MTA Bolyai János kutatói ösztöndíj a figyelmet