پایان نامه بررسی تكنولوژي اكسيد جامد پيل های سوختی
مقدمه:
دردهه 1980 ميلادي شواهد علمي نشان مي داد كه انتشارگازهاي گلخانه اي ناشي از فعاليتهاي انساني خطراتي را براي آب و هواي جهان بوجود آورده است و به اين ترتيب افكار عمومي ، لزوم ايجاد كنفرانسهاي بين المللي دوره اي و تشكيل پيمان نامه اي براي حل اين مساله را احساس كرد. در سال 1997 ميلادي كنوانسيون تغييرات آب و هوايي با هدف تثبيت غلظت گازهاي گلخانه اي دراتمسفر تا سطحي كه از تداخل خطرناك فعاليتهاي بشر با سيستم آب و هوايي جلوگيري شود، پروتكل كيوتو را مطرح نمود و به موجب اين پروتكل كشورهاي صنعتي ملزم به كاهش انتشار گازهاي كلخانه اي مي شوند. هدف نهايي اين كنوانسيون دستيابي به تثبيت غلظت گازهاي گلخانه اي در اتمسفر تا سطحي است كه از تداخل خطرناك فعاليتهاي بشر با سيستم آب و هوايي جلوگيري نمايد و چنين سطحي بايد در يك چهارچوب زماني كافي حاصل گردد تا اكوسيستمها بطورطبيعي خود را با تغييرات آب و هوا وفق دهند و اطمينان حاصل شود كه امنيت غذايي تهديد نمي شود و توسعه اقتصادي بطور پايدار ايجاد مي گردد؛ از اين رو انرژيهاي تجديدپذير روز به روز سهم بيشتري در سيستم تامين انرژي جهان را به عهده مي گيرد. منابع انرژي تجديدپذير بصورت تناوبي دردسترس هستند و بخودي خود قابل حمل يا ذخيره سازي نيستند و به همين خاطر نمي توانند بصورت سوخت بخصوص در بخش حمل و نقل مورد استفاده قرار گيرند. تاكنون متداول ترين سوخت استفاده در بخش حمل و نقل در بسياري از كشورهاي دنيا بنزين و گازوئيل بوده است. خودروهايي كه سوخت بنزين يا گازوئيل مصرف مي كنند موجب انتشار مواد مضر و آلاينده با تركيبات شيميايي پيچيده مي شوند. با آنكه تمهيدات مختلفي جهت كاهش در كشورهاي پيشرفته بكار گرفته شده است، ليكن اين برنامه ها در شهرهاي بزرگ مسئله توليد مواد آلاينده را به حد كافي كاهش نداده است. وقتي سوختهاي فسيلي با تركيب هيدروكربورهاي مختلف بطور ناقص مي سوزد، منواكسيدكرين توليد مي شود كه ماده اي بسيار سمي است. برخي اتمهاي كربن تركيبات موجود در سوخت به صورت نسوخته و ذرات جامد كربن روي هم انباشته شده و به همراه هيدروكربورهاي نسوخته بصورت دوده خارج مي شود و در مجاورت نور خورشيد با تركيبات اكسيدهاي نيتروژن حاصل از احتراق تركيب شده و توليد ازن مي نمايد.
سوختهاي پاك داراي خواص فيزيكي و شيميايي ذاتي هستند كه آنها را پاك تر ازبنزين با ساختار و تركيبات فعلي درعمل احتراق مي نمايد. اين سوختهاي جايگزين حين احتراق ، هيدروكربور نسوخته كمتري توليد كردهو مواد منتشره حاصل از احتراق آنها داراي فعاليت شيميايي كمتري براي تشكيل مواد سمي ديگر مي باشد؛ در ضمن استفاده از سوختهاي جايگزين شدت افزايش وانباشته شدن دي اكسيد كربن كه سبب گرم شدن زمين مي شود را نيز كاهش مي دهد. معرفي سوختهاي جايگزين و مطالعه درخصوص امكان استفاده و بهره برداري از سوختهاي جايگزين ، با توجه به ملاحظات فني-اقتصادي و منابع گسترده موجود برخي از آنها درايران ، همچنين بدليل روند رو به رشد مصرف سوختهاي مايع هيدروكربوري دركشور كه هرساله موجب ضرر و زيان هنگفت به بودجه عمومي و محيط زيست كشور مي شود از اهميت قابل توجهي برخودار شده است.
2-1 : ويژگي هاي سوخت هيدروژني
هيدروژن يكي از عناصري است كه در سطح زمين به وفور يافت مي شود. اين عنصر در طبيعت بصورت خالص وجود ندارد و آنرا مي توان توسط روشهاي مختلف از ساير عناصر بدست آورد. هيدروژن عمده ترين گزينه مطرح بعنوان حامل جديد انرژي است . اين ماده درمقايسه با ساير سوختها مي تواند با راندماني بالاتر و احتراق بسيار پاك به ساير اشكال انرژي تبديل شود. امروزه استفاده از هيدروژن درصنايع مختلف بصورت يك نياز مي باشد. هيدروژن در صنايع شيميايي ، غذايي ، كاني و فلزي كاربردهاي زيادي دارد . با توسعه صنعتي جهان و تقاضاي روزافزون انرژي ، جهان با دو معضل مهم يعني آلودگي زياد محيط زيست و محدودبودن ذخاير سوختهاي فسيلي مواجه شده است. با توجه به اينكه امروزه يكي از مشكلات بزرگ جهان ، انتشار مواد آلاينده حاصل از سوختهاي فسيلي مي باشد ، هيدروژن دراين بخش نيز داراي مزاياي نسبي مي باشد؛ لذا با توجه به نكات مثبت زيست محيطي ، اقتصادي و قوانين وضع شده ، جهان امروز به سمت توسعه پايدار با استفاده ازانرژي هيدروژني سوق داده شده مي شود.
از جمله ويژگيهايي كه هيدروژن را از ساير گزينه هاي سوختي متمايز مي نمايد، مي توان به فراواني ، مصرف تقريباً منحصر به فرد ، انتشار بسيار ناچيز آلايندها، برگشت پذير بودن چرخه توليد آن و كاهش اثرات گلخانه اي آن اشاره نمود. درحال حاضر كشورهاي مختلف دنيا درحال سرمايه گذاري دراين بخش مي باشند. امروزه توليد انرژي يكي از بزرگترين چالشهاي عصر آينده خواهد بود، ازاين رو استفاده از هيدروژن براي توليد برق نيز امري ضوري به نظر مي رسد و دراين راستا كشورهاي مختلفي براي تغيير سوخت انواع ژنراتورها و توربينها به سوخت هيدروژني درحال فعاليت مي باشند. استفاده از هيدروژن به همراه پيلهاي سوختي چشم انداز بسيار روشني را در آينده ترسيم مي نمايد، سيستم انرژي هيدروژني بدليل استقلال از منابع اوليه انرژي ، سيستمي دائمي ، پايدار ، فناناپذير ، فراگير و تجديدپذير مي باشد و پيش بيني مي شود كه در آينده اي نه چندان دور توليد و مصرف هيدروژن به عنوان حامل انرژي به سراسر اقتصاد جهاني سرايت نموده و اقتصادهيدروژن تثبيت شود، با اين وجودنبايد انتظار داشت كه هيدروژن دربدو ورود از نظر قيمتي بتواند با ساير حاملهاي انرژي رقابت نمايد، از ديگر سوي سهم و نقش سوختاي گازيدر آينده با حركت به سوي توليد همزمان گرما و الكتريسيته در نيروگاههاي كوچكتر در حال افزايش است.
در آينده هيدروژن و پيل سوختي مي تواند نقش محوري و كنترل آلايندگي در آلودگي شهرها داشته باشند. موتورهاي الكتريكي و پيلهاي سوختي جايگزين بسيار مناسبي براي موتورهاي احتراقي مي باشند. درحقيقت اگر هيدروژن ازمنابع فسيلي تامين شود خودروهاي پيل سوختي مي توانند انتشار مواد آلاينده را درجو بحد صفر برسانند. با اين جايگزيني راندمان تا ميزان قابل توجهي افزايش يافته و انتشار مواد آلاينده در شهرها كاهش مي يابد و كاهش كل انتشار مواد آلاينده بستگي به اين دارد كه آيا هيدروژن از سوختهاي فسيلي يا مواد زيست توده توليد مي شود يا اينكه بوسيله انرژي بادي يا نيروي برق-آبي بدست مي آيد. هيدروژن به عنوان بهترين گزينه و اقتصادي ترين سوخت دردرازمدت به منظور استفاده در خودروهاي پيل سوختي از پتانسيل بسيار مناسبي برخوردار است. هيدروژن ساده ترين سوخت جهت استفاده در خودروهاي پيل سوختي مي باشد وموجب افزايش راندمان و سادگي خودروهاي پيل سوختي مي گردد. در صورت توليد هيدروژن از منابع گاز طبيعي، قيمت آن ازبنزين و گازوئيل كمتر است. با توجه به منابع گاز طبيعي موجود درجهان و وجود زيرساختهاي توزيع گاز طبيعي دراكثر كشورها و همچنين راندمان مناسب مبدل گاز طبيعي و كم بودن مضرات زيست محيطي و خطرات آن به لحاظ ايمني ، استفاده از گازطبيعي و تبديل آن به هيدروژن مطرح گرديده است. احتراق مزيت اصلي استفاده اززهيدروژن به عنوان سوخت آن است كه پس ازاحتراق محصول توليد شده بخار آب و اكسيد نيتروژن است.
3-1 : فناوري هاي توليد هيدروژن
هيدروژن از منابع مختلفي همانند منابع انرژي اوليه (منابع پايان پذير مانند نفت خام،) ، منابع انرژي ثانويه (منابعي كه با استفاده از منابع اوليه انرژي توليد مي شوند مانند بنزين) و منابع تجديدپذير (منابعي كه بدون دخالت انسان بطور متناوب توليد مي شوند مانند باد، خورشيد و آب) بدست مي آيد.
دانشمندان ازهيدروژن بعنوان سوخت نهايي ياد مي كنند.
درحال حاضر از هيدروژن توليدي در صنعت به عنوان يك فرآورده شيميايي استفاده مي شود. فروش تجاري هيدروژن كمتر از 10% ميزان توليد آن در دنيا مي باشد، بدين معني كه 90% هيدروژن توليدي در محل توليد به مصرف مي رسد. امروزه هيدروژن را مي توان از فرآيندهايي همچون الكتروليز آب، رفورمينگ گاز طبيعي و اكسيداسيون جزيي سوختهاي فسيلي بدست آورد.
در حال حاضر بيش از 90% از كل هيدروژن توليدي در جهان از سوختهاي فسيلي بدست مي آيد و بيشترين مصرف هيدروژن در صنايع نفت و پالايش مي باشد. هيدروژن عمدتاً بعنوان يك خوراك جانبي، ماده شيميايي حدواسط يا بعنوان يك ماده شيميايي خاص مورد استفاده قرار مي گيرد و در حال حاضر تنها سهم كوچكي از هيدروژن توليدي بعنوان يك حامل انرژي مورد استفاده قرار مي گيرد. براي بهينه سازي و ايجاد تنوع درروشهاي تجاري توليد هيدروژن نياز به تحقيق و توسعه بيشتر و ساخت نمونه است. روشهاي پيشرفته اي جهت حداسازي مواد آلاينده لازم است تا قيمتهاي هيدروژن توليدي را كاهش داده و راندمان را افزايش دهند. روشهاي مناسبتري هم براي توليد هيدروژن بصورت ايستگاهي و هم بصورت پراكنده نياز است و بايد تلاشهايي بر روي فرآيندهاي تجاري موجود همچون رفورمينگ متان، الكترولايزرها و … در توسعه روشهاي پيشرفته همانند پيروليز مواد زيست توده و جداسازي آب به روش ترموشيميايي ، فتوالكتروشيميايي و روشهاي بيولوژيكي متمركز باشد. هيدروژن در پالايشگاههاي بزرگ ، درمناطق صنعتي ، پاركهاي انرژي و جايگاههاي سوخت گيري جوامع مختلف توليد شده و به سهولت درمناطق روستايي و منازل مشتريان توزيع و پخش خواهد شد.
4-1 : فناوري هاي عرضه و ذخيره هيدروژن
فناوري ذخيره سازي هيدروژن
در سراسر دنيا طراحي وسايل نقليه اي كه ازهيدروژن به عنوان سوخت استفاده مي كنند، مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است و دامنه اين مطالعتت در حال گسترش هستند. امروزه سيستمهاي ذخيره سازي هيدروژن جهت مصارف حمل و نقل مشتمل بر ذخيره به اشكال ذيل مي باشد:
- ذخيره سازي بصورت گاز فشرده درمخازن فولادي و كامپوزيتي
- ذخيره سازي بصورت مايع درمخازن فوق سرد
- ذخيره سازي درهيدريدهاي فلزي
در امر ذخيره سازي هيدروژن حدود 15% ازانرژي كل فرآيند ذخيره سازي ، صرف فشرده سازي هيدروژن مي شود و ميزان 30 تا 40 درصد آن نيز صرف فرآيند مايع سازي هيدروژن مي گردد. سيستمهاي فوق سرد كه در آنها هيدروژن بصورت مايع ذخيره مي شود، بايد كاملاً ايزوله بوده و نبايد كمترين تبادل گرمايي و حرارتي با محيط اطراف داشته باشند، زيرا دماي جوش هيدروژن بسيار پائين بوده و با دريافت مقادير ناچيزي گرما به سرعت به جوش مي آيد. امروزه دراكثر نقاط جهان هيدروژن چه بصورت گاز و چه بصورت مايع ، توسط كشتي و كاميون جابجا مي شود و راندمان انتقال و جابجايي هيدروژن به اين روش بسيار كم است اما در آينده نزديك با افزايش كاربردهاي هيدروژن مي توان ازخطوط لوله نيز براي جابجايي هيدروژن استفاده كرد كه راندمان آن نسبت به جابجايي با كاميون و كشتي بالاتر است. كاربرد هيدروژن جهت توليد اشكال مختلف انرژي كاملاً ميسر است ولي يكي از مشكلات عمده ، نحوه ذخيره سازي مؤثر و ايمن آن است. وجود ويژگيهايي نظير نفوذ سريع ، بيرنگ بودن شعله ، گرم شدن در اثر انبساط، خوداشتغالي درفضاي آزاد پس از نشست و اثر تردي هيدروژن روي فولاد ازجمله مشكلاتي است كه امروزه دركاربرد روشهاي گوناگون ذخيره سازي اين ماده خودنمايي مي كند. درحال حاضر روشهاي متداول ذخيره سازي هيدروژن را مي توان به سه گروه عمده تقسيم نمود:
1- ذخيره سازي هيدروژن بصورت گاز :
يكي از ساده ترين روشهاي ذخيره سازي هيدروژن ، ذخيره به حالت گازي است به نظر مي رسد كه هزينه اوليه اين روش نسبت به ساير روشهاي ذخيره سازي كمتراست. با توجه به جرم حجمي ناچيز هيدروژن گازي نسبت به ساير گازها، گاهي اوقات ناچاريم كه براي ذخيره سازي مقادير مناسب، به فشار بالا متوسل شويم. ذخيره سازي هيدروژن گازي تحت فشار جزء تكنولوژيهاي قديمي و متدوال مي باشد. هيدروژن گازي معمولاً درمخازن لوله اي تحت فشار بالا ذخيره مي گردند
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.