Ein praktisches Brennstoffzellen-Kraftwerk

Eine der effizientesten Möglichkeiten der Stromerzeugung in zukünftigen Kohlevergasungskraftwerken sind Festoxid-Brennstoffzellen, die den Wasserstoff aus dem Gasstrom durch chemische Reaktionen zur Stromerzeugung nutzen. Dies ist effizienter, als nur den Gasstrom aus der Kohlevergasung zu verbrennen. Und im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellentypen kann die Festoxid-Variante bei sehr hohen Temperaturen und Wirkungsgraden betrieben und zur Stromversorgung von Städten skaliert werden.

Der neue Prototyp einer Festoxid-Brennstoffzelle von GE erzielt dank eines kostengünstigen Herstellungsprozesses, bei dem Keramik- und Elektrolytschichten zusammengefügt werden, einen Kostendurchbruch. Das Sechs-Kilowatt-Gerät, das mit einem Wirkungsgrad von 49 Prozent Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Strom umwandelt, wird derzeit vom US-Energieministerium auf einen möglichen Einsatz zur Stromerzeugung in zukünftigen Kohlevergasungsanlagen evaluiert. (Kredit: GE)

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Aber unter den verschiedenen Herausforderungen bei der Entwicklung der Technologie waren die Herstellungskosten ein potenzieller Dealbreaker. Jetzt haben Forscher von GE eine Herstellungsmethode demonstriert, die Schichten aus Keramik- und Elektrolytmaterialien kostengünstig zusammenfügt, sodass das Endprodukt für etwa 800 US-Dollar pro Kilowatt hergestellt werden kann, was sich den Baukosten von 500 bis 550 US-Dollar pro Kilowatt nähert ein konventionelles Gaskraftwerk.



Der Sechs-Kilowatt-Prototyp von GE erreicht einen Wirkungsgrad von 49 Prozent bei der Umwandlung von Brennstoff in Strom, was im Vergleich zum 35-Prozent-Wirkungsgrad konventioneller Kohlekraftwerke günstig ist. Ich glaube, GE hat einen neuen Stand der Technik geschaffen, sagt Wayne Surdoval, Technologiemanager für Brennstoffzellen bei der Nationales Labor für Energietechnologie , Teil des US-Energieministeriums, das finanziert dieses Projekt und andere mit dem Ziel, bessere Festoxid-Brennstoffzellen herzustellen. Unterm Strich, fügt er hinzu, sei der GE-Prototyp eine besonders kostengünstige Brennstoffzelle. Grundsätzlich verwenden Sie einfache Herstellungstechniken mit relativ kostengünstigen Materialien in der Zelle.

Surdoval vergleicht den Vorgang mit der Herstellung von Pizzateig. Drei Sätze von Materialien – die die beiden Elektroden und einen Elektrolyten darstellen, aus denen jede Schicht einer Brennstoffzelle besteht – werden gemischt und durch zwei Walzen geführt, die sie zusammendrücken. Sie haben drei verschiedene Teige, die Sie jeweils flachdrücken, dann schichten und dann flach drücken, erklärt er. Dann backst du es im Grunde.

Der Prozess ebnet den Weg für die Massenproduktion, so Kelley Fletcher, der führende Technologieführer für nachhaltige Energieprogramme bei GE Global Research , in Niskayuna, NY. Menschen haben Brennstoffzellen hergestellt, die mehr Leistung bringen, und Menschen haben auch solche hergestellt, die dieses Effizienzniveau erreicht haben, sagt er. Aber dies in einem Paket und zu dem von uns erstellten Kostenvoranschlag zu tun, ist hier die eigentliche Leistung. Die Herstellung früherer Prototypen habe Tausende von Dollar pro Kilowatt gekostet, sagt er.

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Natürlich gibt es noch andere Straßensperren. Schwefel im Kohlenwasserstoff-Brennstoff kann die Brennstoffzelle verunreinigen und abbauen. GE und andere arbeiten an verschiedenen Vorbehandlungsprozessen, um den Schadstoff aus der Brennstoffzelle fernzuhalten. Forscher der Tufts University haben beispielsweise eine Möglichkeit entwickelt, Cer- und Lanthanoxide zur Entfernung von Schwefel zu verwenden.

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Maria Flytzani-Stephanopoulos , ein Chemieingenieur bei Tufts, der die Entwicklung des Scrubbers leitete, warnt davor, dass die Arbeit von GE zwar beeindruckend ist, aber große Herausforderungen vor uns liegen. Ich denke, dass die gemeldeten Zahlen eine signifikante Entwicklung darstellen, sagt sie. Natürlich müssen Scale-up-Systeme in der zukünftigen Arbeit ebenso effizient sein.

Die Arbeit ist Teil eines Department of Energy Clean-Coal-Initiative 2003 ins Leben gerufen, mit dem innerhalb von zehn Jahren ein hocheffizientes Festoxid-Brennstoffzellen-Kraftwerk mit mehreren Megawatt Leistung gepaart mit Kohlevergasungstechnologie gebaut werden soll. Es wird angenommen, dass die Vereinigten Staaten etwa 250 Jahre Kohle im Boden haben. Aber das Verbrennen von Kohle ist ein wichtiger Faktor für die zunehmende globale Erwärmung; Tatsächlich setzt Kohle mehr Kohlendioxid für jede produzierte Energieeinheit frei als jeder andere fossile Brennstoff.

In Kohlevergasungsanlagen wird die Kohle erhitzt und in ein Synthesegas umgewandelt, ein Gemisch aus hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Dieses kann dann in einem Kraftwerkstyp namens Integrated Gasification Combined Cycle verbrannt werden. Die GE-Technologie würde es ermöglichen, Wasserstoff aus dem Synthesegas zu ziehen und durch eine Festoxid-Brennstoffzelle zu leiten.

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