Katalitikus légszennyezés csökkentési eljárások Dr Tungler Antal egyetemi

Katalitikus légszennyezés csökkentési eljárások Dr Tungler Antal egyetemi tanár MTA IKI, BME KKFT 2009

A légszennyeződés forrásai: ipari műveletek, vegyipar tüzelés, erőművek, robbanómotoros járművek. Fontosabb szennyező anyagok: CO, NO, SO 2, szénhidrogének, fluorozott és klórozott szénhidrogének. • Szennyező anyagok termikus és katalitikus eltávolítási módszerei: • Diesel füst: oxidáció • Szénhidrogének: oxidáció • CO: oxidáció • Mérgező szerves anyagok: oxidáció és termikus bontás 1200 o. C felett • NOx: redukció • Klórozott szénhidrogének: veszély a dioxin képződés. • Ipari szagtalanítás • Zsírok enyv, hal, kávé, PVC, poliuretán feldolgozás, gépkocsi fényezés.

Légszennyezők katalitikus oxidációja szennyezett levegő hőcserélő katalizátorágy tisztított levegő láng tüzelőanyag

Légszennyezők katalitikus oxidációja

Katalitikus hatású gáz szűrő Cr-V tartalmú katalizátor szálasanyagra felvive

Bioszűrő Biomosó

NOx kibocsátás salétromsavgyártásnál, ipari tüzelőberendezéseknél Véggázok 0. 08 -0. 03% Nox 2 -3% O 2 tartalmúak. Redukálószerek: H 2, szénhidrogének, NH 3. H 2 + NO 2 NO + H 2 O 2 H 2 + 2 NO 2 H 2 O + N 2 A hidrogén redukálószer esetén a katalizátor monolit hordozós platina. A szükséges minimális belépési hőmérséklet: hidrogénnel 470 K, metánnal 750 K, propán-butánnal 520 K. Az oxigén eltávolítás, mivel gyorsabban reagál, mint a nitrogénoxidok, növeli a redukálószer igényt és a hőmérsékletet. Az ammónia használatának az az előnye, hogy szelektíven csak a nitrogénoxidokkal reagál. Ilymódon kevesebb kell belőle, viszont drágább, mint a szénhidrogének. 6 NO 2 + 8 NH 3 7 N 2 + 12 H 2 O 6 NO + 4 NH 3 5 N 2 + 6 H 2 O Katalizátorok: Pt, Ru/ Al 2 O 3, Cu-zeoliton, V 2 O 5 /Al 2 O 3, Ti. O 2.

A gépkocsi kipufogó gázok tisztítása • Kezdetek: California 1960 -as évek, Los Angeles nyári szmog • Törvények az emissziós limitekről – Kisebb, hatékonyabb motorok – Katalitikus konverter • Fejlesztések a nagy autógyártóknál és a katalizátorgyártóknál

A motorban és a katalitikus konverterben végbemenő reakciók és ezek termékei

Üzemanyag nitrogén tartalmából Termikus NO Fenimore mechanizmus szerinti NO képződés dús keverékek égésekor Dús zónában

A katalitikus konverterben lejátszódó reakciók és termékeik

Katalizátor nagyított képe

Tipikus kipuffogó katalitikus konverter felépítése

Gépjármű katalizátorok jellemzői • A katalitikus rendszerek igazán hatásosan csak befecskendezős motorokkal dolgoznak. • Korszerû rendszerek: két katalizátorággyal működő illetve a többfunkciós katalizátorral dolgozó. Előbbinél a NO redukció történik az elsõben és az oxidációs folyamatok a másodikban, levegõ betáplálással. A többfunkciós katalizátor vezérelt motorral dolgozik, azaz oxigénszonda méri a kipufogógázok oxigéntartalmát, és ennek megfelelően változtatja a keverék összetételét. A redukáló összetételnél a katalizátorágyban lévő oxigénleadó komponensek (például ritkaföldfémoxidok) teszik tökéletessé az oxidációt. • A katalizátorok fő komponensei: nemesfémek Pt/Pd, Pt/Rh, Fe, Ce oxidok, Ag vanadát. A katalizátor aktív komponenseit alumíniumoxiddal bevont kerámia monolitra viszik fel.

Gépkocsi kipufogó katalizátorok fejlesztési állomásai

Hidegindítás hatását csökkentő megoldások 1. Motorhoz közel elhelyezett katalizátor; 2. Elektromosan fűthető fém monolit; 3. Szénhidrogén csapda; 4. Kémiailag fűtött katalizátor; 5. Kipuffogó gáz égetés; 6. Előmelegítő égők; 7. Hidegindítás gyújtás késleltetéssel vagy kipuffogó utáni égetés; 8. Égőtér változtatható szeleppel; 9. Duplafalú kipuffogó cső.

Szénhidrogén csapda

Az elektromos fűtésű katalizátor működése

Oxigén tárolás a háromutas katalizátorban

Új oxigén tároló anyag: ACZ alumíniumoxid a cérium és cirkónium oxidok között Az ACZ és a CZ összehasonlítása a diffúziós gát alapján: (a) ACZ: a CZ szinterelődését gátolják az Al 2 O 3 részecskék amelyek a CZ részecskék között vannak diszpergálva; (b) CZ: könnyen szinterelődik diszpergens híjján.

A háromutas katalizátor nem hatásos a NOx redukciójában, ha a motor sovány keverékkel üzemel (λ > 1). Sovány üzem Benzinben gazdag keverék Csak <1 s időre

A NOx tárolás és redukció mechanizmusa

A kénmérgeződés csökkentése A Ti. O 2 és a -Al 2 O 3 keveréke minimalizálja a SOx lerakódást, hexagonális cella monolit hordozó növeli a szulfát eltávozást, Rh/Zr. O 2 -hozzáadásával a katalizátor aktív lesz a hidrogén fejlesztésében vízgőz konverzióval. A bevonatok fényképe a négyzetes és a hatszögletű celláknál a monolit szerkezetben

Katalizátorok a Diesel motorokhoz Nem kívánatos reakció: A katalitikus reakciók

Szelektív katalitikus NO redukció

Diesel részecske csapda égetővel

Katalitikus részecske csapda

Toyota Hybrid Synergy Drive®

PRIUS prior, to go before “Ahead of its time”

Toyota Hybrid Synergy Drive® Jövő járműve

Hibrid rendszerek Soros hibrid rendszer Toyota Hybrid Synergy Drive® HV B atte G gin e Inv En ry M Soros hibrid rendszer = “Villamos hajtású autó benzinmotor hajtotta generátorral ellátva” • Benzinmotor hajtja a generátort • Generátor feszültséget szolgáltat a villamos motornak a kerekek hajtásához • Nincs mechanikus kapcsolat a benzinmotor és a kerekek között: A benzinmotor soha nem hajtja közvetlenül a járművet.

Toyota Hybrid Synergy Drive® Hibrid rendszerek Párhuzamos hibrid rendszer HV B atte 12 Inv gin V En e TM MG ry Párhuzamos vagy “Lágy” hibrid rendszer • Benzines és villamos motor közvetlenül hajtja a kerekeket • “Lágy”: – Benzinmotor szolgáltatja az elsődleges hajtó energiát – Villamos motor csak rásegít amikor a kiegészítő teljesítmény vagy nyomaték szükségessé válik • Villamosmotor nem tudja önállóan mozgatni a járművet! • Lassítás közben: – motor = generátor (tölti az akkumulátor egységet) = regeneratív fékezés

Honda IMA rendszere

Honda IMA rendszere

Honda IMA rendszere

Toyota Hybrid Synergy Drive® 12 V Toyota Hybrid Synergy Drive® Soros/párhuzamos hibrid HV B atte G 1 M gin PS Inv e MG 2 En ry Toyota Hybrid Synergy Drive® • “Erős” hibrid rendszer: Különálló generátor – Tölti a HV akkumulátort – Táplálja a villamos motort • Szinergia a: – korszerű villamos motorés – Benzinmotor teljesítménye között • A leghatékonyabb hajtás választása: – Villamos motor – Benzinmotor – A kettő kombinációja • Regeneratív fékezés • Sosem kell külső forrásból tölteni!!!

Toyota Hybrid Synergy Drive® TOYOTA Hybrid Synergy Drive V. motor teljesítmény : • Hatékonyan ötvözi a V. motor Nyomaték : a mozgató energia 2 B motor nyomaték : típusát amely kedvezően egészíti ki egymást: – Villamos motor: Nagy és állandó nyomaték, szinte 0 fordulattól – Belsőégésű motor: Magas teljesítmény Jármű sebesség Teljesítmény Nyomaték Mi a Toyota Hybrid Synergy Drive®?

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek Generátor 12 V HV akkumulátor HV Belsőégésű Motor Differenciálmű y En M G 1 gin Inv Nyomatékosztó egység (bolygómű egység) Ba tter e Inverter PS MG 2 Motor

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek Belsőégésű motor • 1. 5 -liter, 16 -szelep, DOHC VVT-i Atkinson ciklusú benzinmotor (speciális VVT-i hangolás magas sűrítési arány mellett) • Magas termikus hatásfok • Speciális fejlesztés a hibrid rendszerhez • Európai Step IV-es emisszió

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek PS Hibrid Hajtómű • CVT mintájára (Constant Variable Transaxle) • Nincs zajos szíj • = „okos” hajtómű nyomatékosztó egységgel (bolygómű egység) – Összekapcsolja a: Ø Benzinmotort Ø generátort Ø Villamos motort & kerekeket

Toyota Hybrid Synergy Drive® Benzinmotor Alapvető elemek Generátor / indítómotor • Tölti a HV akkumulátort vagy • Ellátja a villamos motort • Indítja a benzinmotort • Szabályozza a CVT funkciót

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek Motor Hajtó villamos motor / Generátor • Hajtja a járművet • Végrehajtja a regeneratív fékezést • Max. teljesítmény: 50 k. W • Max. nyomaték: 400 Nm ! – Álló helyzetből – Széles skálán

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek Generátor Motor MG 2 MG 1 b. motor Nyomatékosztó egység = bolygómű (a rendszer lelke…) • Összekapcsolja a benzinmotort és a két villamos gépet • Elosztja a benzinmotor teljesítményét: – A kerekek felé – Generátor felé Nyomatékosztó egység (bolygómű egység)

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek HV akkumulátor • A csomagtérben a hátsó ülés mögött • Emellett 408 l csomagtér kapacitás • Magas belső ellenállás (teljesen töltött akkumulátor 60 napig tartja a töltését) HV akkumulátor egység

Toyota Hybrid Synergy Drive® Alapvető elemek HV akkumulátor • Szigetelt Nikkel metal hydride (Ni-MH) akkumulátor Modul (6 Cella) Cella (1, 2 V) Szerviz csatlakozó 28 modul

Energia gazdálkodás Toyota Hybrid Synergy Drive® + : Mozgató erő : B. motor hajtóerő HV akkumulátor HVHV battery s té sü Ki s Tö lté Energia Elindulás Jármű áll s ítá Haladás s or gy B. motor áll B. Motor leáll Lassítás Kisütés Töltés B. Motor beindul - Regeneratív fékezés Fékezés idő

Toyota Hybrid Synergy Drive® Működés Energiafolyam megjelenítése • A nyilak az energiafolyam irányát mutatják: – narancs (benzin motor) – sárga (villamos motor/generátor) Visszatáplált energia: – Megforduló nyílirány – Nyíl színe zöldre vált Visszamaradó HV akk. töltöttség: – zöld = töltött – piros = kisütött

Toyota Hybrid Synergy Drive® Vezérlés Villamos hajtás mód (EV mód) • A benzinmotor működtetése késleltetett Normál EV Mód EV mód felfüggesztése vagy • EV mód kapcsoló ismételt megnyomása • HV akkumulátor töltöttsége alacsony • HV akkumulátor hőm. kicsi vagy nagy • A benzinmotor bemelegítése tart • Járműsebesség bizonyos mértéket meghalad • A gázpedál bizonyos helyzetet elér

Toyota Hybrid Synergy Drive® Vezérlés Villamos hajtás mód • EV mód kapcsolója pillanatkapcsoló típusú • EV mód bekapcsolva: – +/- 1 km < 45 km/h síkúton (általános töltöttség esetén) EV mód kapcsolója

Toyota Hybrid Synergy Drive® Hatásfok

Toyota Prius III 2010 EPA becsült üzemanyag fogyasztás 50 mf/gallon 4, 85 liter/100 km. Motor 1. 8 liter, összteljesítmény 134 lóerő

Tüzelőanyagcellák Fuel cells A tüzelőanyagcella két elektródból és a köztük lévő elektrolitból áll. Az egyik elektródhoz oxigént, a másikhoz hidrogént vezetve elektromos áramot, hőt és vizet termel. A hidrogént vezetjük az anódhoz, az oxigént a katódhoz. Az elektródok katalitikusan aktív anyagot tartalmaznak, ezen a hidrogén protonná és elektronná alakul. A proton áthalad az elektroliton és a katódon az oxigénnel és az áramkörön át megérkező elektronnal vízzé alakul.

A tüzelőanyagcella és a hagyományos Carnot ciklus hatásfoka a hőmérséklet függvényében

Tüzelőanyagcella hatásfoka Termodinamikai hatásfok: efftd = G/ H G = - n*F*E ahol n az elektronszáma a folymatnak, F a Faraday konstans (96500 A*s) E az elméleti cellapotenciál. Ebből levezethető az elektrokémiai hatásfok: effel = V/E ahol V a cellafeszültség. A hidrogén-oxigén cellára 25 o. C-on a megfelelő értékek: H = -287 k. J/mol, G = -238 k. J/mol, S = -164 JK-1 mol-1, n = 2 Ezekből az értékekből számolva efftd = 0, 83, E = 1, 23 V Terhelés alatt (100 m. A/cm 2) a cella feszültség kb. 0, 85 V lehet. Ebből az elektrokémiai hatásfok: effel = Vterh/E = 0, 85/1, 23 = 0, 69 A termikus hatásfokot úgy kapjuk, hogy kiszámoljuk a hidrogén-oxigén reakció entalpiájából a vonatkozó feszültséget: (287 k. J/mol)/(2*96, 5 k. A*s) = 1, 5 V 0, 85/1, 5 = 0, 57

Alkálikus elektrolittal a következő reakciók játszódnak le: A katódon: O 2 + 2 H 2 O + 4 e- 4 OHAz anódon: 2 H 2 + 4 OH- 4 H 2 O + 4 e. A bruttó reakció: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Savas elektrolittal a következő reakciók játszódnak le: A katódon: ½ O 2 + 2 H+ + 2 e- H 2 O Az anódon: H 2 2 H+ + 2 e. A bruttó reakció: H 2 + ½ O 2 H 2 O

Az energia átalakítás hatásfoka az erőmű nagyságától függően összehasonlítva polimer savas elektrolitos és szilárd oxidos tüzelőanyagcellákéval

Proton cserélő membrán cella: Nafion membrán, elektrokatalizátor, porózus karbon elektródon.

TEM-kép a 20 t. % Pt 3 Sn/Vulcan E-TEK katalizátorról

A tüzelőanyag cellák osztályozása Direkt Közvetlenül oxidálják az üzemanyagot Indirekt Előzetes üzemanyag átalakítással működnek, ez csökkenti a hatásfokot Működési hőmérséklet szerint: Nagy közepes alacsony Működési nyomás szerint: Nagy közepes alacsony Az üzemanyag és az oxidálószerint: Gázalakú reaktánsok (hidrogén, ammónia, levegő, oxigén) Folyadék üzemanyagok (alkoholok, hidrazin, szénhidrogének) Szilárd üzemanyagok (szén, hidridek) Elektrolit szerint: Lúgos cellák (AFC). Foszforsavas cellák (PAFC). Karbonát olvadékos cellák (MCFC). Szilárd oxid cellák (SOFC). Protoncserélő membrános cellák (PEMFC). Az elektrolit lehet folyadék halmazállapotú, ezek a mobil elektrolitos rendszerek, ha az elektrolit szilárd mátrixba van felitatva, akkor ezeket immobil vagy mátrix rendszereknek hívják. AFC: KOH oldat elektrolit, CO 2 mentes üzemanyagot és levegőt igényel. Az elektródok lehetnek nikkel, vagy platina fémmel készültek, a katód szénből és műanyagból.

MCFC: anód porózus nikkel, oxidokkal keverve, a katód lítium tartalmú szinterelt nikkel-oxid. Az elektrolit Li-K karbonát, lítium-aluminát mátrixban, a cellák bipoláris konfigurációjúak. Működési hőmérséklet kb. 700 o. C. Tipikus elektród reakciók: Anódon H 2 + CO 32 - H 2 O + CO 2 +2 e. Katódon ½ O 2 + CO 2 +2 e- CO 32 PAFC: elektrolit foszforsav szilíciumkarbid mátrixban, elektródok Pt/C/PTFE, bipoláris lemezek grafit-műanyag kompozitokból készülnek. Ezek a cellák átalakított üzemanyaggal is működnek, mert a széndioxid és a szénmonoxid nem zavarnak. PEMFC: elektrolit lemez szulfonált politetrafluoretilén. SOFC: elektrolit Y 2 O 3 és Zr. O 2 keveréke, működési hőmérséklet 1000 o. C. Anódos reakciók: H 2 + O 2 - H 2 O + 2 e. CO + O 2 - CO 2 + 2 e. Katódos reakció: ½ O 2 + 2 e- O 2 Anód anyaga Ni/Zr. O 2, katód anyaga La. Mn. O 3.

Kereskedelmi tüzelőanyagcella összeállítások 1200 W-16 k. W

Mi kell az ÖKO autóhoz? • Tüzelőanyagcellás jármű, megfelelő hidrogén tárolási kapacitással. • Olcsón előállítható hidrogén, amit bárhol tankolhatunk, mint most a benzint vagy gázolajat. • Elektromos hajtású autó, nagy fajlagos kapacitású akkumulátorral, olcsó elektromos áram megújuló forrásból

Hidrogén előállítási lehetőségek Fosszilis Megújuló

Fotóelektrolízis

Foto-bio hidrogén előállítás

A jód-kén ciklusok Korróziós problémák!!!

Hidrogén tárolás Gáz formában: elérhető, drága, szénszálas anyagokkal, 6 -10 t% H 2 350 -700 bar Folyadék állapotban: elérhető, drága, mélyhűtés Dewar edényekben 20 t% H 2 1 bar -253 o. C Szilárd állapotban: hidridekben, fémötvözetekben, szén nanocsövekben, távol a megvalósítástól 9 t% H 2 50 -60 bar

A távolabbi jövő: az ITER

A fúziós reakció

Szükségünk van-e hidrogén, metanol, -valerolakton stb. gazdaságra? • Átalakítsuk a megtermelt elektromos energiát veszteséggel kémiai energia hordozóvá? Majd szintén veszteséggel alakítsuk vissza elektromos majd mechanikai energiává? • Másik megoldás, hogy tároljuk minél kisebb tömegű tárolóban (akkumulátor, kapacitor), ami sokszor feltölthető és abból nyerjük vissza sokkal jobb hatásfokkal az elektromos energiát?

Az energia probléma nagyságrendje (egy “megrázó” példa) Frankfurt Airport (2004) 520 gép indul naponta, 50 Jumbo Jets (Boeing 747) 130 t kerozin per Jumbo = 50 t folyékony hidrogén A napi 50 Jumbo Jet kiszolgálásához: (2, 500 t LH 2/nap, 36, 000 m 3 LH 2/nap, ehhez 22, 500 m 3 víz/nap) Az elektrolízis, cseppfolyósítás, szállítás és töltés 8 db 1 GW erőmű folyamatos működését igényli! Legalább 25 nukleáris erőmű és Frankfurt teljes vízfogyasztása kell az 520 jet kiszolgálásához a Frankfurt Airport-on. Az energia probléma nem oldható meg azzal, hogy a fosszilis tüzelőanyagokról átállunk hidrogénre! Ulf Bossel – October 2005

Jövő fenntartható energiával ? ? ? Belép Hidrogén megyébe Elhagyja Benzin megyét Ulf Bossel – October 2005

“Creation” of “Hydrogen Energy” (1) 1. From water by electrolysis H 2 O => H 2 + ½ O 2 Species balance 2 hydrogen atoms = 2 hydrogen atoms 1 oxygen atom = 1 oxygen atom 2. From natural gas by reforming CH 4 + 2 H 2 O => 4 H 2 + CO 2 Species balance 1 carbon atom = 1 carbon atom 8 hydrogen atoms = 8 hydrogen atoms 2 oxygen atoms = 2 oxygen atoms Simple equations, friendly elements H, O and C Hydrogen promoters are happy! Even politicians can follow and initiate hydrogen programs Ulf Bossel – October 2005

“Creation” of “Hydrogen Energy” (2) 1. From water by electrolysis H 2 O => H 2 + ½ O 2 Mass balance 18 kg H 2 O 9 kg H 2 O = 2 kg H 2 + 16 kg O 2 = 1 kg H 2 + 8 kg O 2 2. From natural gas by reforming CH 4 + 2 H 2 O => 4 H 2 + CO 2 Mass balance 16 kg CH 4 + 36 kg H 2 O = 8 kg H 2 + 44 kg CO 2 2 kg CH 4 + 4. 5 kg H 2 O = 1 kg H 2 + 5. 5 kg CO 2 1 kg hydrogen replaces 1 Gallon or 4 Liters of gasoline Clean water availability may limit hydrogen production Mass handling not trivial. Carbon sequestration? ? ? Ulf Bossel – October 2005

“Creation” of “Hydrogen Energy” (3) 1. From water by electrolysis H 2 O => H 2 + ½ O 2 Energy balance electrical energy = energy in H 2 286 k. J/mol = 286 k. J/mol Reality: 130% energy input = 100% energy in H 2 + 30% energy loss 2. From natural gas by reforming CH 4 + 2 H 2 O => 4 H 2 + CO 2 Energy balance Methane energy + heat = energy in H 2 890 k. J/mol + 254 k. J/mol = (4 x 286 k. J/mol =) 1, 144 k. J/mol Reality: 110% energy input = 100% energy in H 2 + 10% energy loss Add 100% for hydrogen distribution to customers Where does the energy come from to make and distribute hydrogen? We need to solve energy problems, not chemical problems! Ulf Bossel – October 2005

primary energy consumption increased more coal, more nuclear energy more CO 2 and radioactive waste time wasted global catastrophe Entering Hydrogen County Leaving Gasoline County Ulf Bossel – October 2005

Sustainable Energy Future Entering Physical Energy County Leaving Chemical Energy County Ulf Bossel – October 2005

Common Goal: Sustainable Energy Future Only two conditions must be satisfied: 1. Energy source, sink, handling and use must be sustainable 2. Energy must be distributed and used with highest efficiency Need to re-organize the entire energy system for a sustainable energy future Ulf Bossel – October 2005

Sustainable Energy Oil, natural gas, coal or nuclear are not sustainable! Energy from sustainably managed renewable sources: Solar energy photovoltaic thermal Wind energy Hydropower Ocean energy waves, tides Geothermal heat Biomass and organic waste heat DC electricity AC electricity, hot water, space heating etc. heat, organic fuels AC electricity, hot water, space heating etc. Most renewable energy is “harvested” as electricity Energy carriers like water, hydrogen, electrons etc. obey the laws of species conservation. Energy carriers cannot be classified as „sustainable“ Ulf Bossel – October 2005

Solar Energy Availability Solar energy received by red area exceeds World energy consumption In addition: wind, waves, geothermal, biomass, organic waste etc. Ulf Bossel – October 2005

Energy Challenge With the exception of biomass nature provides kinetic energy of wind, water, waves solar radiation heat form geothermal sources physical energy With the exception of food people need physical energy motion communication lighting heating and cooling (space conditioning and cooking) industrial processes The challenge is the direct transfer of physical energy from source to service Whenever possible, avoid conversions across the chemical -|- physical energy boundary Ulf Bossel – October 2005

Energy Flux Diagram of Germany (1995) yellow: primary energy blue: energy losses purple: useful energy Ulf Bossel – October 2005

Fossil Past and Sustainable Future Fossil Energy Past Electricity from renewable sources Sustainable Energy Future Electricity from renewable sources physical Electrolysis (80%) chemical synthetic hydrogen hydrocarbons from fossil sources chemical physical hydrocarbons from biomass DMFC, MCFC, SOFC Carnot machines overall efficiency: (35%) 40% of HHV (90%) (50%) ? Compression Liquefaction Distribution Storage transfer H 2 fuel cells (50%) (90%) (25%) Consumers need motion, sound, light, heat, communication Ulf Bossel – October 2005

Electricity Transport Renewable Source Energy Consumer by electrons 100% gaseous hydrogen liquid hydrogen Ulf Bossel – October 2005 AC DC fuel cell stored transferred transported packaged hydrogen gas electrolyzer by hydrogen DC electricity renewable AC electricity 90% 25% 20%

Renewable Energy Power Plants and energy transport by electrons or hydrogen 3 of 4 renewable energy power plants needed to cover losses! Also: New infrastructures Required for hydrogen 400% by hydrogen Substantially more renewable electricity needed 110% by electrons Renewable AC electricity Ulf Bossel – October 2005 100% AC power

Consumer Cost of Energy Assumption: As today, energy losses will be charged to the customer. Therefore by laws of physics: Hydrogen energy will be at least twice as expensive as electrical energy Electricity derived from hydrogen with fuel cells will be at least four times more expensive than power from the grid The consumer will choose the low-cost solution: Electric heaters or heat pumps rather than hydrogen for heating Electric cars for commuting, not hydrogen fuel cell vehicles The last drops of oil and liquid fuels from biomass will be used for long distance driving, trucks and air transport Hydrogen has to compete with its own energy source. Therefore, it will always be an expensive fuel Ulf Bossel – October 2005

Energy Options for a Jumbo Jet Kerosene 5% of energy for transport and handling 6. 3 TJ off refinery ? H 2 by NG reforming + 225 m 3 of clean water 6. 9 TJ (100 tons NG) Reformer (15% losses) + 2. 4 TJ (electricity) 6 TJ Kerosene 130 tons 160 m 3 Liquid H 2 50 tons 715 m 3 275 tons CO 2 = 9. 3 TJ total 40% of energy for liquefaction transport and handling H 2 by electrolysis 6 TJ Liquid H 2 50 tons 715 m 3 2. 4 TJ (electricity) + 7. 5 TJ (electricity) Electrolyzer (25% losses) = 9. 9 TJ total Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix Ulf Bossel – October 2005 ? + 450 m 3 of clean water Liquid H 2 50 tons 715 m 3 Heavy duty and long distance transport by land, air and sea will be powered by „the last drops of oil“ or hydrocarbon biofuels

Energy Options: Diesel vs. H 2 -Fuel Cell Cars Diesel 5% of energy for transport and handling 84 MJ/100 km off refinery ? H 2 by NG reforming + 1. 8 kg/100 km of clean water Reformer (15% losses) 58 MJ/100 km (natural gas) Diesel 25% tank-to-wheel 80 MJ/100 km (2. 5 L/100 km) 0. 4 kg/100 km Liquid H 2 + 25 MJ/100 km (electricity) 20 MJ/100 km = 83 MJ/100 km total 50% of energy for liquefaction transport and handling H 2 by electrolysis 25 MJ/100 km (electricity) + 63 MJ/100 km (electricity) Electrolyzer (25% losses) = 88 MJ/100 km total Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix Ulf Bossel – October 2005 ? + 3. 6 kg/100 km of clean water 0. 4 kg/100 km Liquid H 2 -Fuel Cell 40% tank-to-wheel 50 MJ/100 km (0. 4 kg LH 2/100 km) No significant difference between modern Diesel and hydrogen fuel cell vehicles

Energy Options: Diesel vs. Electricity for Cars Diesel 5% of energy for transport and handling 84 MJ/100 km off refinery Electricity for batteries 12% of energy for transmission. AC/DC conversion 30 MJ/100 km (electricity) Diesel 25% tank-to-wheel 80 MJ/100 km (2. 5 L/100 km) Battery-Electric 80% plug-to-wheel 25 MJ/100 km 20 MJ/100 km Electricity for H 2 by electrolysis 50% of energy for liquefaction transport and handling 25 MJ/100 km (electricity) + 63 MJ/100 km (electricity) Electrolyzer (25% losses) = 88 MJ/100 km total Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix Ulf Bossel – October 2005 ? + 3. 6 kg/100 km of clean water 0. 4 kg/100 km Liquid H 2 -Fuel Cell 40% tank-to-wheel 50 MJ/100 km (0. 4 kg LH 2/100 km) Electric cars far superior to Diesel or hydrogen fuel cell vehicles

Sustainable Energy Options for Passenger Cars In a sustainable future electricity will be the main energy source. Electric cars will be preferred to hydrogen fuel cell vehicles! Electricity for batteries 12% of energy for transmission, AC/DC conversion 30 MJ/100 km (electricity) Battery-Electric 80% plug-to-wheel 25 MJ/100 km 20 MJ/100 km Electricity for H 2 by electrolysis 50% of energy for liquefaction transport and handling 25 MJ/100 km (electricity) H 2 -Fuel Cell 40% tank-to-wheel 50 MJ/100 km (0. 4 kg LH 2/100 km) 0. 4 kg/100 km Liquid H 2 After oil depletion electric cars beat hydrogen fuel cell vehicles + 63 MJ/100 km (electricity) Electrolyzer (25% losses) = 88 MJ/100 km total Results for „green“ electricity Factor 2 higher for power mix Ulf Bossel – October 2005 ? + 3. 6 kg/100 km of clean water

Transportation Status of electric cars with Li-ion Batteries (China): Range: 350 km on one battery charge. Battery recharging in minutes. Lifetime 10 years. Driving costs much less than for IC engine cars, much less than for hydrogen fuel cell vehicles Other options for commuter cars using physical energy: Compressed air, liquid Nitrogen Electric cars make much better use of electricity than hydrogen fuel cell vehicles Technology for a Hydrogen Fuel Cell Vehicles exists or can be developed But hydrogen infrastructure may never be established: Who wants to buy hydrogen? Electricity costs much less! Who wants to invest in a hydrogen infrastructure? Uncertain business! Ulf Bossel – October 2005

Wind Electricity for Transportation Wind-to-Wheel Energy Assessment by Patrick Mazza and Roel Hammerschlag (Lucerne Fuel Cell Forum 2005, corrected) Ulf Bossel – October 2005

Electric Cars are Coming Mitsubishi Lancer Evolution MIEV: Source: Mitsubishi Corporate Press Release of August 24, 2005 Length Width Curb weight Seating Max. Power Max. speed Range/charge Lithium-ion No. of batteries Max. energy stored Gasoline equivalent Fuel economy 4490 mm 1770 mm 1590 kg 5 4 x 50 = 200 k. W 180 km/h 250 km 90 Ah at 14. 8 V 24 32 k. Wh 3 Liters 1. 2 L/100 km

Trends towards Electricity Driven by source depletion and global warming: - Rising energy prices - - Stationary: Mobile: : Improved thermal insulation and more efficient HVAC appliances Substitution of natural gas and heating oil by electricity Improved efficiency of IC engines Hybrid electric vehicles and small electric commuting cars Substitution of fossil fuels by synthetic hydrocarbons and electricity Higher efficiency of energy distribution system More direct electricity, fewer conversion steps, use of waste energy - More electricity from renewable sources Constant cost of renewable electricity at rising oil and gas prices - Change in consumer behavior Transition to electricity is already in progress. Hydrogen cannot catch up with electrons Ulf Bossel – October 2005

Need Electrical Energy Storage economy depends on service life, cycle efficiency, initial and operational costs etc. Service cycles Hydrogen 1, 000? Lead acid batteries 1, 000? Compressed air >100, 000 Hydro >100, 000 Sodium-Sulfur batteries 2, 000? Flywheels >100, 000 Li ion “batteries” >100, 000 Super capacitors >100, 000 Efficiency 45% 70% 75% 80% 85% 90% 95% Physical energy storage offers superior solutions Ulf Bossel – October 2005

Need Dispersed Electricity Storage Today: Two-way storage in few large centralized facilities near power plans Power Plant Consumer Storage Sustainable future: In addition to large centralized two-way storage facilities One-way storage in many small dispersed appliance-connected storage units Renewable El. Storage Renewable El. In a sustainable energy future dispersed one-way storage will augment centralized two-way storage systems Ulf Bossel – October 2005

Need Electricity Storage Management Dispersed one-way storage units are grid-connected They are charged by electric power utility to 80% whenever recharging is needed to 100% when excess power is available at times when surplus power is inexpensive etc. Electric cars stay grid-connected when not driven Charging conditions as above. Need automatic charge transfer platforms in garages and parking lots. Electricity received is metered on-board or by HF-signals and charged to the car owner by the end of each month Dispersed one-way electricity storage units could be managed by electric utilities, not by home or car owners Ulf Bossel – October 2005

Need New Electric Power Links wind-wind hydro-solar waves-solar wind-solar biomass-wind time difference etc. Autonomous renewable energy areas connected by long-distance high-voltage DC power lines Ulf Bossel – October 2005

Not a Question of Money The “ 2 nd Oil War” has already cost the tax payer $300 billion How much wind energy capacity could have obtained for this sum? Assumptions: $1 Mio/MWpeak or $3 Mio per MWaverage for advanced wind generators $2 Mio/MW from private investors $1 Mio/MW from government $1 million support could trigger investment in 1 MW continuous wind power $300 billion could lead to 300 GW continuous wind generating capacity. Harvested wind energy sufficient to power 260 million electric commuter cars for 36, 000 km per year each Forever! Need 0. 65% of US landmass, but farming can continue under wind generators Ulf Bossel – October 2005

Conclusions A sustainable energy future is possible when based on energy from renewable sources and highest efficiency! Energy base must be changed from chemical to physical Physics is eternal and cannot be changed by governments. Therefore by laws of physics: Hydrogen can never compete with its own energy source. A “Hydrogen Economy” has no past, no present and no future Prepare for an “Electron Economy” We need: Energy strategies based on physics, not fantasies Investments in sustainable technology, not research True political leadership Ulf Bossel – October 2005