Cél: a Rankine ciklusnál jobb hatásfokú, alacsony fajlagos költségû erõmű (de nem hagyományos GázTurbina vagy MHD_generator), amiben nagy térfogatú hidrogén szabadul fel, termokémiai reakcióban pl. vízből vagy fémhidridből.
Nem biztos, hogy igazi "körfolyamat" (mint ahogy az Otto ciklus sem az). Lásd még VizBontasNagyNyomason, és TermokemiaMaxwellDemon.
Hidrid kompresszor-os (igazi körfolyamat)
- fémhidrid-ben nyeletünk el hidrogént környezeti hőmérsékleten ~25C. Zárt ciklusban mi választjuk meg a nyomást. Alkalmazási példákban kb 100 bar = 1450 psi induló nyomást látunk: gondolom alacsonyabb nyomáson még lassabb lenne az elnyelés (ami eleve időigényes: "a tankolás 15 percig tart").
- egy fémhidrides aerogél elég izgalmas lenne. Pláne, amelyik már 175C-n a H2-t akár 600 bar nyomáson is le tudja adni. Ugyanis ha innen expandáljuk a H2-t adiabatikusan, 130 bar környékén eléri a környezeti hőmérsékletet. Utána izoterm tovább expandálva lényegében környezeti hőt munkává lehetne alakítani. Fontos: csak 175C-n csinál ilyen nagy nyomást. 25C-n jóval kisebb nyomáson kell elnyeletni
- magasabb hőmérsékleten, de nem kell feltétlenül túl magas: 175-200 Celsius-on, nagy nyomáson leadja ( 8000-10000 psi, a magasabb T nagyobb nyomást ad): "raising the temperature with an external heat source like a heated waterbed or..."
- egy hidrid-kompresszoros hőerőgépet miért korlátozna a Carnot hatásfok korlát ? (Vagyis Carnot hőszivattyúval összekapcsolva miért ne lehetne környezeti hőt munkává alakító másodfajú örökmozgót készíteni vele?)
- kétségtelen, hogy a fémhidrid "hordozó" is felmelegszik. De ellenáramú hőcserélővel ez visszanyerhető
- teljesen nyilvánvaló, hogy az "isochor" nyomásnöveléskor (konstant V) a fémhidriddel magasabb p-re tudunk felmenni (8000-10000 psi, vagyis kb. 600 bar), mint ha csak a hőmérséklet emelkedése számítana (ami 300K => 500K esetén 100 bar-ról csak kb. 167 bar-ra vinné fel a nyomást).
- Közben melegszik-e valami 500K felé (ami azt jelentené, hogy e felett kell hőt betápláni), vagy be kell-e fektetni valamilyen plusz hőt, amit nem tudunk visszanyerni ? Nem. Tehát magasabb kell legyen a hatásfok, mint a Carnot ciklusé.
- Expanziókor választhatunk, hogy
- közel 500K körüli isothermán expandálunk, ekkor nem kell leválasztani a gázt a hidridről. Viszont a hőszivattyú többet dolgozik (vagy több hulladékhő szükséges).
- vagy pedig elválasztjuk a hidridről (hogy itt még ne nyelődjön el, mert az nyomáscsökkenést okozna. Hogy hogyan, az technikai kérdés. Forgószeleppel ? Gömbcsappal ? ), adiabatikus expanzió 300K-ig, aztán nem engedjük tovább hűlni (kivéve persze ha krio-hűtőgépet csinálunk), hanem környezeti hővel 300K isothermán tartva expandálva az ezen szakasz során a környezetből kivont összes hő munkává alakul (igen ! Gáz isothermikus tágulása ilyen )
figyeljük meg, hogy nemcsak a H2, hanem a "ballaszt" fémötvözetet is fel kell melegíteni, ill. vissza kell hűteni. Ha nem használunk hővisszanyerést, akkor ez jelentősen rontja a hatásfokot (15%-ot említ a dacosta.pdf). Ha használunk, akkor ez csak megvalósítási kényelmetlenség. De exergiavesztést nem okoz.
- Persze ettől még lehet drága a készülék a hőcserélők nagy felülete és nyomása miatt. Az elszennyeződés veszélye viszont kevésbé fenyeget (a zárt ciklus miatt), mint amikor pl. szintézisgázból nyert H2-t komprimálunk.
Hagyományos hőerőművek hulladékhőjének hasznosítására is jó lehet. Végh Feri mondott is valami ilyen célú (német ?) generátort, aminek működéséről nem sokat tudunk ("fekete doboz", bár állítólag "Nem ORC"), de könnyen elképzelhető, hogy hidrid-kompresszoros hőerőgép volt.
A dacosta.pdf "Advanced Thermal Hydrogen Compression" szerint 8-szor olcsóbb, mint a mechanikus kompresszió.
Lássuk mit hozhatunk ki ebbõl, ha mondjuk adiabatikusan expandáljuk 8000 psi-rol :
p2=8000 / 14.5 * 100000
T2=450
gamma=7/5
Az adiabatán a p és T közötti összegüggés:
const = p2**(gamma-1) * T2 ** (-gamma)
Mikor érjük el a környezeti hõmérsékletet ?
T1=300
p1=exp ( log(const / T1**(-gamma)) / (gamma-1))
p1 = 1.3348e+07 vagyis 133.5 bar
Innen természetesen NEM engedjük tovább hûlni, hanem a környezetbõl hõt teszünk be (nyáron légkondi), és a betett hõ az isotherm szakaszban 100%-ban munkává alakul. TODO: p-V diagram.
Szóval hol szerepel az egész körfolyamatban a Carnot hatásfok korlát ? Sehol.
Blue Water Gas technológia, aminek során a vizet H2-re bontjuk, széntartalmú anyagból pedig CO lesz. Nem igazi körfolyamat, mert a széntartalmú anyag (pl. szalma) közben fogy.
Viszont a vizet nagy nyomással küldjük be. Így 1 vízmolekula helyett "vízgázt", 2 molekulát kapunk (egy H2 és egy CO) miáltal a Rankine ciklusnál magasabb hatásfokot érhetünk el. Vagyis egyszerre nagynyomású vízgázt, és szabaddugattyús gázgenerátorral nagynyomású levegõt is elõállítunk. Valahol 10-25 bar között (az autoignition határ alatt: fagázra adiabatikus komprimálásra 17-es sûrítési viszonyt szoktak javasolni, de közel-izoterm összenyomással nagyobb nyomás elérheto ). Aztán ezeket (további komprimálás nélkül, vagy minimális további komprimálással) összekeverjük, és a keveréket elégetjük:
- GázTurbina: komprimált levegővel keverjük (több fokozatban, köztesfűtés jelleggel) meggyújtjuk, expandáltatjuk
- a levegőt (a hasznos O2 és a potyautas N2-t) a vízgázzal is komprimálhatjuk (a kompresszor alternatívája, bár a kompresszor nagyobb szabadságot enged). Pl. zárt térbe beengedünk 1 bar-os levegőt. Aztán turbinán át beengedjük a visszahűtött vízgázt. Lesz mondjuk 1.5 bar keverékünk. Isochor elégetjük, DetonációsCiklusúGázturbina majd persze további expanziós fokozat(ok) következnek
Nehézségek:
- a CO ill. a H2 nem fog kondenzálni, de kátrány, korom és alkáli-sók sem bánthatják a turbinát, különben amortizációs problémák lépnek fel !
- ...
Végül hővisszanyerőt alkalmazunk.
Végül a már alacsony energiájú hulladékhõt AbszorpciosHutogep hõszívattyú (fûtésre igazából még alkalmasabb, mint hûtésre) segítségével használhatjuk.
Lane Hidrogén-gyár
- régóta ismert, hogy az izzó vas már 600-800C-on is bontja a vizet (vagyis endotherm reakció, ami rendezetlen hőmozgást alakít rendezettebb kémiai energiává: míg a hő állítólag csak Carnot hatásfokkal alakítható elektromos energiává, a kémiai energiára a Carnot korlát nem érvényes, 80-100% közötti hatásfok nem szokatlan)
- Lane viszont megoldotta, hogy utána vízgázzal visszaredukálja a vasat, újra használhatóvá téve azt (korábban új vassal pótolták, amit persze szintén redukcióval állítottak elő, csak nem helyben, hanem vaskohóban)
Elektromos vízbontású fogyasztás"csökkentő"
Elméletileg: készülék 30A-en kb 3liter / perc gázt (2H2 + O2) állít elő. 30A*14V=420W elektromos teljesítményigény, de a generátor hatásfoka miatt a főtengelyen sacc kb 600W kell. Igaz, a visszajuttatott kb 300W-nyi hidrogén kb +60W kimenőteljesítményt jelent, ez csökkenti a benzinigényt. Vagyis +540W-hoz óránként kb 133 grammal növeli a benzinfogyasztást (0.246 kg / kW mellett), ez városban (30km/h mellett) már számottevő fogyasztásnövekedést jelent. Országúton (60km/h mellett) 0.37 liter / 100 km már nehezebben mérhető, de azért mérhető. Valamiért a mért érték rosszabb volt, 60km/h-nál +408 cc / óra = kb +0.68 liter / 100km. Talán a generátor hatásfoka inkább 50% (nem 70%) körüli. A motor hatásfoka is lehet a számítottnál rosszabb. A generátor-ékszíj feszes volt.
Autópályán (100km megtétele alatt még rövidebb ideig szopja a generátort) még nehezebb kimérni a 100km-re eső fogyasztást, ezt nem próbáltuk mérni.
- mérés: 2010-08-17 Budapest 17.kerület
- Kiss Zoltán + Gál Marcell
- Audi 200, 3B (20VT) motor 5 henger, 20 szelep, sűrítési viszony kb 9.0
- szívóüzemben mértünk. Lambda = 1.00 (EGO-correction engedélyezve), Alapjárati MAP: 38 => 42 kPa. (a felső érték nem pontos)
- az alapjárati szelep csövébe vezettük be a durranógázt. A készülék az anyósülésen (vízzár) ill.anyósülés lábtérnél (vízbontó) foglalt helyet. Könnyen kapcsolhatóan adtuk rá a 12V-os akkumulátorról (jobb hátsó utas lábánál) a tápot
- TODO: fényképek
