Ανάπτυξη και επίδειξη ολοκληρωμένης διεργασίας για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από κυψέλες καυσίμου με ενδιάμεση παραγωγή Η2 μέσω αναμόρφωσης του LPG με ατμό» (Κωδικός έργου: Τ1ΕΔΚ-02442)

A/A86
Επιστημ. ΥπεύθυνοςΠαναγιωτοπούλου Παρασκευή
Φορέας5030190
Κωδικός Έργου81812
Ημερομηνία Έναρξης4/6/2018
Ημερομηνία Λήξης3/6/2022
Φυσικό Αντικείμενο

Η χρήση του υδρογόνου (H2), σε συνδυασμό με τις κυψέλες καυσίμου, αποτελεί μία φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο για κινητές όσο και σταθερές εφαρμογές. Το Η2 αποτελεί το καύσιμο των κυψελών καυσίμου και μπορεί να παραχθεί μέσω αναμόρφωσης με ατμό διαφόρων ενώσεων όπως του φυσικού αερίου, της αιθανόλης, της μεθανόλης, του υγροποιημένου αερίου πετρελαίου (Liquefied Petroleum Gas, LPG), της βενζίνης και διαφόρων παραγώγων του πετρελαίου. Μεταξύ των ενώσεων αυτών, το LPG παρουσιάζει ενδιαφέρον για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με ενδιάμεση παραγωγή Η2, κυρίως σε απομακρυσμένες περιοχές που αντιμετωπίζουν δυσκολίες με τα υπάρχοντα ηλεκτρικά δίκτυα. Το LPG αποτελεί μίγμα υδρογονανθράκων, κυρίως προπανίου (C3H8) και βουτανίου (C4H10), σε συστάσεις που ποικίλουν ανάλογα με τη πηγή προέλευσης του. Εκτός από Η2 και μονοξείδιο του άνθρακα (CO), το LPG μπορεί να μετατραπεί σε μεθάνιο (CH4), αιθάνιο (C2H6) και αιθυλένιο (C2H4), μέσω της αντίδρασης μεθανοποίησης του CO και των αντιδράσεων διάσπασης των C3H8 και C4H10, αντίστοιχα. Το βασικό πρόβλημα της αντίδρασης αναμόρφωσης του LPG με ατμό είναι η εναπόθεση άνθρακα, λόγω διάσπασης των C2H6, C2H4 και CH4, η οποία οδηγεί σε σταδιακή απενεργοποίηση του καταλύτη. Η εναπόθεση άνθρακα ενισχύεται από τη πιθανή παρουσία ανώτερων υδρογονανθράκων στο αρχικό μίγμα C3H8/C4H10, καθιστώντας επιτακτική την ανάγκη ανάπτυξης ενεργών και σταθερών καταλυτών ικανών να μετατρέπουν εκλεκτικά το LPG σε Η2, παρεμποδίζοντας την εναπόθεση άνθρακα. Το προτεινόμενο έργο σχετίζεται με την ανάπτυξη και κατασκευή ενός ενεργειακά αποδοτικού και φιλικού προς το περιβάλλον συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα θα μετατρέπει το καύσιμο τροφοδοσίας (LPG) σε Η2 μέσω της διεργασίας αναμόρφωσης με ατμό, και εν συνεχεία το Η2 θα μετατρέπεται σε ενέργεια μέσω κυψελίδας καυσίμου τύπου ΡΕΜ.

Πλαίσιο ΧρηματοδότησηςImage for ID 86
ΕΣΠΑ 2014-2020, ΕΠ ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑ, ΕΡΕΥΝΩ - ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ - ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ 2014-2020
Προϋπολογισμός149.101,24 €
Λέξεις ΚλειδιάΥδρογόνο, κελιά καυσίμου, αναμόρφωση με ατμό, υγροποιημένο αέριο πετρελαίου
Ιστοσελίδα-
Σύντομη περιγραφήΒασικό τμήμα του έργου αποτελεί η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η βελτιστοποίηση καταλυτικών υλικών, καθώς και η αξιολόγησή τους για την αντίδραση αναμόρφωσης του LPG με ατμό. Οι καταλύτες θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από υψηλή ενεργότητα και εκλεκτικότητα προς Η2, μεγάλη σταθερότητα στο χρόνο και ανθεκτικότητα στην εναπόθεση άνθρακα. Ένας από τους σημαντικότερους στόχους του έργου είναι να προσδιοριστούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των καταλυτών και οι βέλτιστες λειτουργικές συνθήκες για την αποδοτική μετατροπή του LPG προς Η2, μέσω αναμόρφωσης με ατμό. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας μεγάλος αριθμός ενεργών, εκλεκτικών και σταθερών καταλυτών σε συνθήκες πρακτικού ενδιαφέροντος (π.χ. θερμοκρασία, σύσταση αντιδρώντος μείγματος κλπ.). Παράλληλα μέσα από λεπτομερή χαρακτηρισμό των καταλυτών με χρήση διαφόρων τεχνικών προσδιορίστηκαν οι φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών που καθορίζουν την καταλυτική ενεργότητα και εκλεκτικότητα, όπως είναι η φύση, η φόρτιση και το μέγεθος των σωματιδίων της ενεργού μεταλλικής φάσης, καθώς και η φύση του φορέα. Τα αποτελέσματα αυτά είναι εξαιρετικής σημασίας και αποτέλεσαν τη βάση για τη βελτιστοποίηση των καταλυτών που χρησιμοποιήθηκαν στο ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. \\r\\nΣημαντικό ρόλο στην απόδοση των καταλυτών παίζουν οι λειτουργικές συνθήκες αντίδρασης (θερμοκρασία, μοριακός λόγος H2O/C, ταχύτητα χώρου), για αυτό και ο προσδιορισμός και η βελτιστοποίηση τους αποτελεί έναν από τους βασικούς στόχους του έργου. Η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στην καταλυτική συμπεριφορά μελετήθηκε διεξοδικά σε επιλεγμένους καταλύτες και προσδιοριστήκαν οι βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας για την επίτευξη υψηλής ενεργότητας και εκλεκτικότητας. Παράλληλα οι βέλτιστοι καταλύτες υποβλήθηκαν σε μακροχρόνια πειράματα σταθερότητας για τον έλεγχο της πιθανής απενεργοποίησης τους, ενώ παράλληλα μελετήθηκε η δυναμική απόκριση επιλεγμένων καταλυτών σε απότομες αλλαγές των πειραματικών συνθηκών (π.χ. θερμοκρασία, σύσταση αντιδρώντος μείγματος). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν οδήγησαν στον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών αντίδρασης, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν στον σχεδιασμό της ολοκληρωμένης διεργασίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. \\r\\nΣτα πλαίσια υλοποίησης του έργου πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός φρέσκων και χρησιμοποιημένων καταλυτών με εφαρμογή προηγμένων τεχνικών, όπως ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (TEM), θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση (TPD) και οξείδωση (TPO), με σκοπό την συσχέτιση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών των υλικών με την καταλυτική τους συμπεριφορά. Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν προσδιορίστηκε η κρυσταλλική δομή επιλεγμένων καταλυτών πριν και μετά την αντίδραση, η ικανότητα ρόφησης/εκρόφησης ενδιάμεσων ειδών καθώς και η εναπόθεση άνθρακα στην καταλυτική επιφάνεια κατά την διάρκεια της αντίδρασης. Παράλληλα διερευνήθηκε ο μηχανισμός της αντίδρασης αναμόρφωσης του LPG με ατμό με τη χρήση φασματοσκοπικών μεθόδων (DRIFTS). Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν προσδιορίστηκαν τα πιθανά δραστικά και ενδιάμεσα είδη στην καταλυτική επιφάνεια, ενώ παράλληλα κατανοήθηκε η χημεία της αντίδρασης αναμόρφωσης και προσδιορίστηκαν τα επί μέρους βήματα που α) οδηγούν σε εκλεκτική παραγωγή Η2 και β) διασφαλίζουν την καταλυτική σταθερότητα. \\r\\nΠαράλληλα με την διεργασία αναμόρφωσης του LPG με ατμό, βασικός στόχος του έργου ήταν η ανάπτυξη συστοιχίας μεμβράνης ηλεκτροδίων, η οποία θα εφαρμοστεί σε μοναδιαίο κελί υδρογόνου τύπου PEM για την αποδοτική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Η2. Η βέλτιστη συστοιχία μεμβράνης ηλεκτροδίων προέκυψε μέσα από την ανάπτυξη, το χαρακτηρισμό και την αποτίμηση καινοτόμων ηλεκτροκαταλυτών για την οξείδωση του υδρογόνου (άνοδος) και την αναγωγή του οξυγόνου (κάθοδος). Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκε σύνθεση, (φυσικοχημικός & ηλεκτροχημικός) χαρακτηρισμός και μελέτη (σε μοναδιαίο κελί υδρογόνου) καινοτόμων ηλεκτροκαταλυτικών υλικών (ιεραρχημένης και τρισδιάστατης δομής), οι οποίοι χαρακτηρίζονται από α) χαμηλό κόστος (χαμηλή ή μηδενική περιεκτικότητας σε λευκόχρυσο), β) υψηλή απόδοση ως προς την οξείδωση του υδρογόνου (άνοδος) και την αναγωγή του οξυγόνου (κάθοδος) και γ) υψηλή αντοχή στην παρουσία προσμίξεων (δηλητηρίων). Παράλληλα αναπτύχθηκε συστοιχία μεμβράνης ηλεκτροδίων και πραγματοποιήθηκε μελέτη σε μοναδιαίο κελί υδρογόνου τύπου PEM εργαστηριακής κλίμακας (0.1 kW) για διαφορετικές συστάσεις τροφοδοσίας υδρογόνου, παρουσία προσμίξεων (CO, CH4, C2Hy). Παράλληλα διερευνήθηκε η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στην ηλεκτροχημική απόδοση και την αντοχή του κελιού, σε συνθήκες που προσομοιάζουν τις πραγματικές, με απώτερο στόχο τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας του. \\r\\nΤέλος, πραγματοποιήθηκε σχεδιασμός και κατασκευή ενός ολοκληρωμένου επεξεργαστή καυσίμου (LPG), ο οποίος περιλαμβάνει όλες τις επιμέρους διεργασίες για την παραγωγή ενός πλούσιου σε Η2 αερίου ρεύματος. Ο επεξεργαστής καυσίμου συνδέθηκε με κελί καυσίμου τύπου PEM, οδηγώντας σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, και πραγματοποιήθηκε επίδειξη λειτουργίας του. \\r\\nΑς σημειωθεί ότι ανάμεσα στους στόχους του έργου συγκαταλέγεται η διάχυση και αξιοποίηση των αποτελεσμάτων. Με σκοπό την επίτευξη του στόχου αυτού τα αποτελέσματα που προέκυψαν έχουν μέχρι στιγμής οδηγήσει στη δημοσίευση έντεκα (11) άρθρων σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά με αξιολόγηση, είκοσι ένα (21) εργασιών σε διεθνή συνέδρια με αξιολόγηση και επτά (7) εργασιών σε εθνικά συνέδρια με αξιολόγηση. Παράλληλα, έχουν ήδη υποβληθεί ή θα υποβληθούν τους προσεχείς μήνες επιπλέον άρθρα για δημοσίευση σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά με αξιολόγηση καθώς και εργασίες σε επιστημονικά συνέδρια. Αξίζει να αναφερθεί ότι ο αριθμός των δημοσιεύσεων σε επιστημονικά περιοδικά και συνέδρια που έχουν ήδη προκύψει είναι σημαντικά μεγαλύτερος από εκείνον που απαιτούνταν βάσει του Τεχνικού Παραρτήματος του Έργου (που ήταν 8 δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά και 8 δημοσιεύσε
Εικόνα-