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New Energy Source

New Energy Source. Yongsik Lee 2004 Nov. water. Mysterious Island (1874) “ I believe that water will one day be employed as fuel …” Jules Verne Combustion of hydrogen H 2 + (1/2)O 2 → H 2 O + 286 kJ Equivalent to 143 kJ/g for combustion Octane 46 kJ/g Methane 54 kJ/g

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Presentation Transcript

  1. New Energy Source Yongsik Lee 2004 Nov

  2. water • Mysterious Island (1874) • “I believe that water will one day be employed as fuel…” • Jules Verne • Combustion of hydrogen • H2 + (1/2)O2 → H2O + 286 kJ • Equivalent to 143 kJ/g for combustion • Octane 46 kJ/g • Methane 54 kJ/g • Powerful energy source

  3. Hydrogen supply • How can we obtain a supply of H2? • 93% all atoms are hydrogen atoms • Immense supply on Earth • H2 is too reactive • Most of it is in the bonding • Traditional method • 묽은 산을 금속과 반응시키면 수소 발생

  4. Splitting water

  5. Electrolysis of water • By providing energy from a battery, water can be dissociated into the hydrogen (H2) and oxygen (O2) • The process must provide • the energy for the dissociation • the energy to expand the produced gases. • Both of those are included in the change in enthalpy

  6. Required energy • Expansion work at 298 K • W = PΔV • (101.3 x 103 Pa)(1.5 moles)(22.4 x 10-3 m3/mol)(298K/273K) = 3715 J • Since the enthalpy H= U+PV, the change in internal energy U is then • Δ U = Δ H - P Δ V = 285.83 kJ - 3.72 kJ = 282.1 kJ • This change in internal energy must be accompanied by the expansion of the gases produced, • so the Δ H represents the necessary energy to accomplish the electrolysis.

  7. Apparatus of electrolysis

  8. Considering entropy • However, it is not necessary to put in this whole amount in the form of electrical energy • Since Δ S in the process of dissociation, the amount TΔS can be provided from the environment at temperature T. • The amount which must be supplied by the battery is actually the change in the Gibbs free energy • Δ G = Δ H - T Δ S = 285.83 kJ - 48.7 kJ = 237.1 kJ • Since the electrolysis process results in an increase in entropy, the environment "helps" the process by contributing the amount T Δ S. • The utility of the Gibbs free energy is that it tells you what amount of energy in other forms must be supplied to get the process to proceed.

  9. Source of energy • Electricity by Burning fossil fuels • Electricity from Nuclear Reactor • Heat energy to decompose water • 131 kJ + H2O(g) + C(s) → H2 (g) + CO(g) • Simple heating at 5000 C

  10. Stealing the sun • Sun = nuclear fusion • 5,000,000 tons of sun’s matter are converted into energy 3 x 1023 kJ per sec • Needs 108 K to initiate • Uncontrolled mini sun • Hydrogen bomb

  11. Nuclear Fusion • 핵융합 Fusion • Nuclear reaction in which two nuclei combine to form a new nucleus at high temperature (108 K)

  12. Nuclear Fusion

  13. Happy Birthday!

  14. Reactive Hydrogen • Main engine exhaust, solid rocket booster plume and an expanding ball of gas from the external tank is visible seconds after the Space Shuttle Challenger accident on Jan. 28, 1986.

  15. Challenger Accident

  16. Hindenburg Explosion • The explosion of the luxury airship Hindenburg at Lakehurst, NJ, on May 6, 1937, serves as one of the most spectacular moments recorded by the media. • But knowing the actual nature of the Hindenburg disaster, as well as knowing the behavior of hydrogen allows us to dispel this stigma associated with hydrogen.

  17. Hydrogen Safety • 현대 기술로 수소 기체는 안전하게 보관 가능 • Tanks currently in use for storage of compressed hydrogen (similar to compressed natural gas tanks) have survived intact through testing by various means, • being shot with six rounds from a .357 magnum, • detonating a stick of dynamite next to them, • subjecting them to fire at 1500 degrees F • Clearly, a typical gasoline tank wouldn’t survive a single one of these tests.

  18. Storage of Hydrogen • Finding a cost-effective method of storing hydrogen is a challenge. While hydrogen contains more energy per weight than any other energy carrier, it contains much less energy by volume. This makes it difficult to store a large amount of hydrogen in a small space, like the gas tank of your car. • High-pressure storage tanks. • Hydrogen gas can be compressed and stored in storage tanks at high pressure, but these tanks must be very strong. • Liquid hydrogen. • Hydrogen can be stored as a liquid. In this form, more hydrogen can be stored per volume, but it must be kept at very cold temperature (about -253° C)

  19. Hydrogen Economy • 새로운 H2저장 방법 • Metal 과 반응 → Metal hydride 생성 • 비교적 안정한 고체(높은 저장 수용력 가짐) • Li(s) + ½H2(g) → LiH(s) (10L) (4.3mL) • LiH(s) + H2O(g) → H2(g) + LiOH(aq) • H2를 다루는데 안전과 편리성 향상 • Carbon nanotubes • 2 nm across, stores hydrogen in their microscopic pores. • H2사용 • 순수한 수소기체 : 공기중에서 안정 • 수소와 산소가 혼합될 때 spark 발생 ⇒ 위험

  20. Slow burning • Slow reaction • Non contact between H2 and O2 • Flameless combustion • Fuel cell (연료 전지) • Sir William Grove (1839) • First practical fuel cell (1930s) • Apollo program (1960s) • Space shuttle uses 32 cells x 3 set

  21. Fuel Cells

  22. Fule cell structure • A single fuel cell consists of • an electrolyte • two catalyst-coated electrodes (a porous anode and cathode) • Anode • Oxidation (lose electron) occurs • Hydrogen (or a hydrogen-rich fuel) is fed to the anode where a catalyst separates hydrogen's negatively charged electrons from protons • H2(g) → 2H+(aq) + 2e- • Cathode • Reduction (gain electron) occurs • oxygen combines with electrons and, in some cases, with species such as protons or water, resulting in water or hydroxide ions, respectively • (1/2)O2(g) + 2H+(aq) + 2e- → H2O(l)

  23. Electron flow = electrical current • The electrons from the anode side of the cell cannot pass through the electrolyte to the positively charged cathode • They must travel around it • via an electrical circuit to reach the other side of the cell. • This movement of electrons is an electrical current.

  24. Electrolytes • For polymer electrolyte membrane (PEM) and phosphoric acid (PA) fuel cells, • protons move through the electrolyte to the cathode to combine with oxygen and electrons, producing water and heat. • For alkaline, molten carbonate, and solid oxide fuel cells, • negative ions travel through the electrolyte to the anode where they combine with hydrogen to generate water and electrons.

  25. Fuel Cell Types

  26. Fuel Cells • 연료 전지의 일반적인 특성 • 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생 → 총효율을 80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능 • 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높음 • 발전용 연료의 절감이 가능 • 열병합 발전도 가능 • NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전의 1/38과 1/3 • 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술

  27. Fuel Cell stack

  28. Fuel Cell in your Future? • C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2(g) • oxidation substance : C3H8(g) • reduction substance : O2(g)

  29. Fuel Cell Advantages • No moving parts • Reliable • Efficient (50%-90% presently): This is major long-term advantage - fuel cells are not limited by the thermodynamics constraints that heat-based combustion type processes are subject to. • Heat generated can be captured for other uses • Operates cleanly (emits only water) • Quiet

  30. Fuel Cell in Place • 과거에 에너지원으로 쓰이지 않은 이유 • 과거에는 석유, 석탄 등 화석연료 풍부 • 환경오염에 대한 인식 부족 • 연료전지가 상용화 되지 않은 이유 • 취급 용이성과 안정성, 비용 상의 불리함 • 백금 촉매 전극 • 연료전지를 구성하는 소재에 대한 제조 기술 미비 • 상용화 하기 위한 노력 • 가격 절감 • 성능 향상 • 새로운 소재 개발 • 가능한 사용처 • 노트북, 휴대폰 등 이동성 • 자동차처럼 공해 저해 • 병원 같은 안정된 전원이 필요한 곳

  31. Electrons, cells, and batteries • Electrochemical cell • Electrolytic cell

  32. lead storage battery (+)극: PbO2 + 4H+ + SO2-4 + 2e- → PbSO4 + 2H2O (-)극: Pb + SO2-4 → PbSO4 + 2e- Pb+PbO2+2SO42-+4H+ → 2PbSO4+2H2O

  33. batteries-functions and uses

  34. Batteries

  35. 알카리 전지 • 구조 • 극반응 ▶ (+)극: Mn4+ + e- → Mn3+▶ (-)극: Zn → Zn2+ + 2e- • 전압 : 1.45V • 이용 : 건전지와 비슷하다. • 특징 : 수명은 길지만 전해질로 강염기인 수산화칼륨을 사용하므로 분해하면 해를 입을 수 있다.

  36. 산화은 단추 전지 • 구조 • 극반응 ▶ (+)극: Ag2O + e- → Ag ▶ (-)극: Zn → Zn2+ + 2e- • 전압 : 1.55V • 이용 : 계산기, 손목시계 등 • 특징 : 크기는 작고 수명은 길지만 값이 비싸다. 수은 전지 • 구조 • 극반응▶ (+)극: HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH-▶ (-)극: Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e- • 전압 : 1.35V • 이용 : 계산기, 손목시계 등 • 특징 : 환경에 큰 피해를 주므로 현재 생산이 중단되었다.

  37. Memory Effect • 니켈로 만든 전지에서는 활물질로 사용된 NiOH에서 OH가 떨어졌다 붙었다 하면서 전하를 전달하는 현상이 바로 충전과 방전이라는 전기적 흐름 • 여기서 shallow charge-discharge를 반복을 하면, NiOH는 고용체를 형성하게 되는데 이 고용체의 형성은 비가역적인 반응이므로 한번 고용체가 생성이 되면 다시는 되돌아 가지 못하게 되어 남아있는 용량을 사용하지 못하게 된다. • 이와같이 전지가 마치 사용할수 있는 용량의 한계를 기억하는 것과 같은 이러한 현상 • Ni(니켈)을 포함하고 있는 전지는 만충전(100%충전)하였다가 완전히 바닥이 날때까지 사용(단, 전지가 허용하는 방전하한 상태까지만)하는 것을 반복하는 것이 가장 잘 사용하는 방법 • 그러나 리튬이온배터리는 메모리 현상이 없으므로 사용자가 임의대로, 주변환경에 따라 수시로 충전하여 사용하여도 거의 수명에 영향을 미치지 않는다.

  38. Do U Know Where Your Used batteries are? • 수은함유 건전지: 일상생활에서 많이 사용하는 휴대용 소형계산기, 보청기, 시계, 카메라, 전자오락기구 등에 사용하는 은백색의 단추형 건전지 • 일반 건전지에는 1개당 1천분의 3g 정도의 수은이 함유되어 있는데 반해 단추형 수은건전지에는 1개당 1천분의 160g 정도의 수은이 들어 있습니다. 무려 50배가 넘는 것입니다.

  39. How Many Batteries Do You Use and Throw Away? 1990년 건전지 사용량 중금속으로 인해 말라죽은 풀들

  40. 사용이 끝난 수은함유 건전지를 함부로 버리면 • 일반쓰레기와 혼합되어 함께 소각 또는 매립됨으로써 대기오염, 토양오염 및 지하수오염을 일으킨다. • 수은이 환경에 노출되면 금속수은 상태로 녹아 나오며 수중생태계의 박테리아에 의한 유기수은화되어 독성이 증가된 후 토양 및 지하수 등을 오염시키게 된다. • 자연에 노출된 수은함유 폐 건전지는 유기수은화되어 독성이 강해진 후 농축산물 어패류 등에 농축되고 이들을 장기간 섭취하면 인체에 축적되어 독성을 나타냄으로써 수은중독을 일으킨다. 수은중독은 뇌신경장애, 지각 및 감각장애, 청력 및 언어장애, 운동장애 등의 증상을 나타내며 특히 태반을 투과하므로 임산부에게는 민감하게 중독 증상을 나타냅니다.

  41. 미나마타 - 수은중독의 비극 • 일본 큐슈에서 발생하여 미나마타 병으로 명명된 수은 중독 사건은 중금속에 의한 인간의 피해의 대표적 예이다.

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