Chemija · Pamoka

Kuras, elektrocheminis kaupimas ir cheminės energijos virsmai

Grįžtamojo darbo, krūvio, grąžinamos energijos ir naudingosios šilumos palyginimus grįskite aiškiai nurodytomis reakcijos ir teikiamos paslaugos ribomis.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Susieti priskirtą grįžtamąjį elektrinį darbą su subalansuota reakcijos apskaita.
Perskaičiuoti pasirinktą cirkuliuojantį krūvį į formalų vandens reakcijos vyksmo mastą.
Atskirti grąžintą krūvį nuo grąžintos energijos ir keitiklio apskaitos ribų.
Palyginti turimą šilumą su šiluma, kuri iš tikrųjų suderinta su paslaugos poreikiu.

Lyginant energiją reikia nurodyti apskaitos ribas

Cheminės reakcijos, elektrinis darbas ir šilumos perdavimas gali būti įtraukiami į energijos apskaitą. Gibso energija atitinkamomis sąlygomis apriboja grįžtamąjį darbą, nesusijusį su plėtimusi; entalpija ir šilumingumo apibrėžimo susitarimai nusako kitus dydžius.

Lyginant kurą būtina nurodyti medžiagos kiekio arba masės pagrindą ir tai, ar pagal pasirinktą šilumingumo apibrėžimą produktų vanduo laikomas skysčiu, ar garais. Prieš lygindami skaitines vertes naudokite suderinamas sąlygas.

Cheminė apskaita susieja krūvį su pasirinkta sumine reakcija

Grįžtamojo darbo, nesusijusio su plėtimusi, riba esant pastoviai temperatūrai ir slėgiui apskaičiuojama pagal nurodytos reakcijos Gibso energijos pokytį. Entalpija pagrįstam energijos santykiui naudojamas kitas dydis, todėl jam reikia tokio paties reakcijos vyksmo masto ir susitarimo dėl galutinės būsenos. Toliau pateiktos originalios vandenilio vertės yra išgalvotos, kad šie dydžiai būtų aiškiai atskirti.

Krūvio kiekis apskaičiuojamas naudojant Faradėjaus konstantą, gaunamą iš dabartinių tikslių elementariojo krūvio ir Avogadro konstantos verčių. Elemento ryšys, pagal kurį vienai H₂ molekulei tenka du elektronai, susieja cirkuliuojantį krūvį su pasirinktos suminės reakcijos vyksmo mastu. Jis neprideda elektronų į neutralią bendrą H/O atomų balanso lygtį.

Pasirinkta srovės dalis gali priskirti tik dalį tiekiamo krūvio tai suminei reakcijai. Likusiai daliai reikia atskiros cheminės apskaitos, kad būtų galima teigti, jog sudarytas visas elemento medžiagų balansas. Šio mokomojo modelio vienakrypčių srovių dalys neturėtų pakeisti platesnės srovės išeigos apibrėžties.

Krūvio, talpos ir energijos vienetai skiriasi

Integruojant srovę laiko atžvilgiu gaunamas elektrinis krūvis. Elektronų ekvivalentų kiekis su krūviu siejamas per Faradėjaus konstantą. Vien krūvio talpa energijos nenusako; svarbi ir įtampa bei jos kitimas proceso metu.

Pastovios įtampos modelyje elektrinė energija gaunama įtampą padauginus iš krūvio. Tikram įkrovimui ar iškrovimui gali reikėti integralo ir nuostolių apskaitos. Elemento įtampa skiriasi nuo krūviu išreikštos medžiagos talpos.

Naudingoji išeiga priklauso nuo jos apskaitos ribų

Grąžintas krūvis neapima įtampos kitimo kreivės; elektrinė energija apskaičiuojama integruojant įtampą perduoto krūvio atžvilgiu. Supaprastintame akumuliatoriaus cikle pagal krūvį svertinės vidutinės įtampos leidžia šį integralą apskaičiuoti tiesiogiai. Iškrovimo energijos keitimas vėliau pakeičia tiekiamą AC energiją. Įtraukus tik vieną keitiklį, rezultatas netampa visos AC–AC sistemos energijos santykiu.

Turima šiluma taip pat skiriasi nuo patiektos naudingosios šilumos. Poreikiu ribojamoje apskaitoje nepanaudotą šilumą reikia atskirti. Originaliame paslaugos pavyzdyje naudojamai šilumos daliai iš anksto numatomas kokybės ir laiko atitikimas, o ne įrodoma, kad praktinė šildymo sistema veikia.

Nurodykite, ar įėjimo pagrindas yra LHV, HHV, visas kuras, sureagavęs kuras, ar kitas apibrėžtas dydis. Vien energijos tvermė ir energijos santykis neįrodo išteklių tvarumo, išmetamųjų teršalų kiekio, naudojimo trukmės ar ekserginės kokybės.

Grąžintas krūvis ir nurodyta grąžinta energija skiriasi

Dydis	Vidutinė iškrovimo įtampa 44 V	Vidutinė iškrovimo įtampa 40 V
Grąžintas krūvis / Ah	282	282
Grąžinto krūvio dalis	0.940	0.940
Įėjimo DC energija / kWh	14.4	14.4
Išėjimo DC energija / kWh	12.408	11.28
Išėjimo AC energija / kWh	11.29128	10.2648
Išėjimo AC energija / įėjimo DC energija	0.784116667	0.712833333

Originalus priskirtas viso akumuliatoriaus ciklo pavyzdys. Abiejuose stulpeliuose neįtraukti įkrovimo keitiklio ir pagalbiniai nuostoliai. DC įėjimo ir AC išėjimo santykiai nėra AC–AC sistemos naudingumo koeficientai.

Naudingumo koeficientas palygina apibrėžtą naudingąją išeigą su įėjimu

Naudingumo santykiui reikia konkrečiai apibrėžtos naudingosios išeigos, įėjimo ir bendro energijos apskaitos pagrindo. Komponento naudingumo koeficientas, viso įkrovimo ir iškrovimo ciklo naudingumo koeficientas ir visos sistemos naudingumo koeficientas nusako skirtingas ribas. Nuoseklioje energijos perdavimo grandinėje suderinami nuoseklių etapų naudingumo koeficientai dauginami.

Nuostoliai gali pasireikšti šilumos ar kitų išeigų pavidalu, o pagalbinėms sistemoms tiekiama energija gali nepatekti į siaurą komponento skaičiavimą. Didesnė vardinė talpa negarantuoja didesnio patiektos naudingosios energijos kiekio ar ilgesnės naudojimo trukmės.

Cheminei energijos kaupimo sistemai reikia kelių veikimo rodiklių

Energijos talpa, galima galia, atsako laikas, ciklų skaičius, stabilumas ir medžiagų poreikis veikia skirtingas funkcijas. Energijos šaltinis ir jos nešiklis ar kaupimo mechanizmas atlieka skirtingus vaidmenis.

Toliau pateikti originalūs energijos balansai yra mokymui priskirti modeliai. Jais nerekomenduojama komercinė sistema, nepateikiamos dabartinės kainos ir nenurodomos energijos įrenginio konstravimo ar naudojimo procedūros.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Grįžtamajam darbui ir panaudotam kurui taikoma skirtinga apskaita

Formaliai reakcijai H₂+½O₂→H₂O(l) priskirkite Δ_rG=−212 ir Δ_rH=−272 kJ vienam mol H₂ esant vienai pastoviai nenurodytai temperatūrai ir slėgiui. Tai išgalvotos vertės, o ne tikri vandenilio termodinaminiai duomenys. Pradžioje priskirkite 1.30 mol H₂. Apskaičiuokite grįžtamojo elektrinio darbo ribą.

Esant visam formaliam vyksmo mastui sunaudojama 1.30 mol H₂ ir 0.650 mol O₂, susidaro 1.30 mol vandens; taip subalansuojami H/O atomai ir neutralus krūvis. Užrašytos neutralios reakcijos abiejose pusėse yra po dešimt elektronų; cirkuliuojantis krūvis įtraukiamas į atskirą elemento apskaitą.
Naudokite tikslias dabartinės SI sistemos vertes: elementarųjį krūvį e=1.602176634×10⁻¹⁹ C ir Avogadro konstantą N_A=6.02214076×10²³ mol⁻¹. Faradėjaus konstanta F=eN_A=96485.33212331 C mol⁻¹. Pagal pasirinktą elemento apskaitą vienam mol H₂ cirkuliuoja du mol elektronų.
Didžiausias grįžtamasis darbas, nesusijęs su plėtimusi, esant priskirtai pastoviai temperatūrai ir slėgiui yra −ξΔ_rG=275.6 kJ. Atitinkama grįžtamoji įtampa yra 212000/(2F)=1.098612584 V.
Grįžtamasis entalpija pagrįstas santykis yra 212/272=0.779411765. Faktiniam kuro panaudojimui, įtampos nuostoliams ir pagalbinėms energijos sąnaudoms reikia atskiros apskaitos; nurodytas santykis nėra įrangos veikimo garantija ar bendras palyginimas su Karno ciklu.

Grįžtamojo darbo riba yra 275.6 kJ pagal priskirtą reakcijos pagrindą; entalpija pagrįstas santykis yra 0.779411765.

Pasirinktas krūvis neapibūdina visų cheminių kanalų

Abstrakčiam elementui tiekite 1.85 mol elektronų krūvį ir 0.760 jo dalį priskirkite pasirinktai neutraliai suminei vandens reakcijai 2H₂O(l)→2H₂(g)+O₂(g). Vienam formaliam šios užrašytos suminės reakcijos vyksmo mastui cirkuliuoja keturi mol elektronų. Šiame supaprastintame modelyje pasirinkta ir kitos srovės teka ta pačia kryptimi.

Bendras krūvis yra 1.85F=178497.864428 C. Pasirinkto krūvio kiekis yra 1.85×0.760=1.406 mol elektronų; kitam kanalui tenka 0.444 mol.
Pagal pasirinktą suminę reakciją gaunama H₂=1.406/2=0.703 mol, O₂=1.406/4=0.3515 mol ir sunaudojama 0.703 mol vandens. H/O atomų kiekiai subalansuoti; elektronai yra cirkuliuojantys krūvio nešikliai, o ne neutralios bendrosios vandens lygties suminiai dalyviai.
Nurodyti tik pasirinktos reakcijos produktai. Nenustatyto konkuruojančio krūvio negalima paversti išsamiu cheminiu elemento balansu. Srovė, laikas, elektrolitas ir įranga nepateikti.
Šiems ta pačia kryptimi vykstantiems kanalams priskirta dalis yra tarp nulio ir vieneto. Pagal IUPAC apibrėžtį srovės išeiga gali viršyti vienetą, kai vienalaikės dalinės srovės teka priešingomis kryptimis, todėl ši riba nėra universali.

Pasirinkti H₂/O₂ kiekiai yra 0.703/0.3515 mol; kito kanalo krūvis ir toliau apskaitomas atskirai.

Grąžintas krūvis skiriasi nuo grąžintos energijos

Priskirkite vieną visą akumuliatoriaus ciklą, kuriam pasibaigus grįžtama į pradinę sukaupto krūvio ir sukauptos energijos būseną: įkrovimo krūvis 300 Ah, pagal krūvį svertinė vidutinė įkrovimo įtampa 48.0 V, grąžinto krūvio dalis 0.940, vidutinė iškrovimo įtampa 44.0 V ir iškrovimo inverterio naudingumo koeficientas 0.910. Kokie energijos santykiai gaunami?

Iškrovimo krūvis yra 282 Ah. E=∫VdQ apskaičiuojamas naudojant priskirtus pagal krūvį svertinius vidurkius: įėjimo DC energija 300×48/1000=14.4 kWh; išėjimo DC energija 282×44/1000=12.408 kWh.
DC–DC energijos santykis yra 12.408/14.4=0.861666667 ir skiriasi nuo grąžinto krūvio santykio 0.940. AC energijos išeiga po iškrovimo inverterio yra 12.408×0.910=11.29128 kWh; inverterio nuostoliai yra 1.11672 kWh.
Nurodytose DC įėjimo ir AC išėjimo ribose santykis yra 11.29128/14.4=0.784116667. Įkrovimo keitiklio, pagalbiniai ir ramybės būsenos nuostoliai neįtraukti; tai nėra AC–AC sistemos viso ciklo naudingumo koeficientas.
Nenurodyta jokia tikroji akumuliatoriaus chemija, veikimo kreivė, naudojimo trukmė ar įkrovimo protokolas. Santykiui turi būti išlaikytas jo ciklas ir energijos apskaitos ribos.

Grąžinto krūvio dalis 0.940; DC–DC energijos santykis 0.861666667; nurodytas DC įėjimo ir AC išėjimo santykis 0.784116667.

Turima šiluma tampa naudinga tik suderinta su paslaugos poreikiu

Pagal vieną priskirtą žemutinio šilumingumo pagrindą hipotetinis 32.0 kg kuro įėjimas, kai šilumingumas 9.00 MJ kg⁻¹, per tą patį laikotarpį duoda 60.0 MJ elektros ir 150 MJ turimos šilumos. Suderinamas šilumos poreikis yra 97.0 MJ. Užbaikite energijos balansą ir naudingojo paslaugos rezultato santykio skaičiavimą.

Įėjimo energija yra 288 MJ. Kita energija yra 288−60−150=78.0 MJ, todėl gamybos energijos balansas sutampa.
Panaudota šiluma yra min(150,97)=97.0 MJ; nepanaudota turima šiluma yra 53.0 MJ. Elektros ir turimos šilumos suma duoda 210/288=0.729166667, o elektros ir panaudotos šilumos suma duoda 157/288=0.545138889.
Naudojamai šilumos daliai iš anksto numatyta, kad jos kokybė, tiekimo laikas, vieta ir perdavimas yra suderinami. Šilumos ir elektros sudėjimas energijos apskaitoje nereiškia, kad jų eksergija ar kokybė vienoda. Žemutinio ir aukštutinio šilumingumo vardiklių maišyti negalima.

Naudingoji energija yra 157 MJ, o naudingojo paslaugos rezultato santykis 0.545138889 pagal nurodytą priskirtą LHV pagrindą.

Pabandykite patys

Pagal hipotetinį nuostolių scenarijų sureaguoja tik 82% pradinio vandenilio, o priskirta vidutinė elemento įtampa yra 0.68 V. Raskite krūvį, elektrinį darbą, likusį kurą ir darbo santykį su pradinio tiekiamo kuro entalpijos moduliu.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Sureagavęs / nesureagavęs H₂=1.066/0.234 mol; sunaudota O₂ 0.533 ir susidarė vandens 1.066 mol; Q=205706.728087 C; W=139.880575 kJ; pradiniu tiekiamu kuru pagrįstas entalpijos santykis 0.395589862.
Skaičiuokite Q=2F padauginę iš sureagavusio kuro kiekio, o W=Q padauginę iš priskirtos vidutinės įtampos; nurodytame naudingumo koeficiento vardiklyje išlaikykite visą pradinį kurą.
Pakeiskite tik priskirtą pasirinktos srovės dalį į 0.88, išlaikydami tą patį bendrą tiekiamų elektronų kiekį.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Pasirinkti elektronai 1.628 mol, kitas kanalas 0.222 mol; H₂/O₂/sunaudotas vanduo 0.814/0.407/0.814 mol; bendras krūvis nepakinta.
Pasirinkta krūvio dalis pakeičia pasirinktos suminės reakcijos vyksmo mastą; neišgalvokite kito kanalo produktų.
Pakeiskite tik pagal krūvį svertinę vidutinę iškrovimo įtampą į 40 V. Perskaičiuokite išėjimo energijas ir nurodytą DC įėjimo ir AC išėjimo naudingumo koeficientą.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Krūvis lieka 282 Ah; DC energijos išeiga 11.28 kWh, AC energijos išeiga 10.2648 kWh; nurodytas DC įėjimo ir AC išėjimo santykis 0.712833333.
Mažesnė priskirta iškrovimo įtampa mažina grąžinamą energiją, o grąžinamo krūvio dalis lieka pastovi.
Pakeiskite tik suderinamą šilumos poreikį į 30 MJ, išlaikydami tą patį hipotetinį gamybos energijos balansą.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Panaudota šiluma 30.0 MJ, nepanaudota šiluma 120 MJ; naudingojo paslaugos rezultato santykis (60+30)/288=0.3125; gamybos energijos balansas nepakinta.
Pasikeitęs poreikis pakeičia naudingąjį tiekimą, o ne priskirtą gamybą ar įėjimo energiją.

Ką verta įsidėmėti

Grįžtamajam darbui naudojama apibrėžta reakcija ir termodinaminės ribos.
Cirkuliuojantis krūvis ir neutralus bendras atomų balansas atlieka skirtingus vaidmenis.
Grąžintas krūvis nenusako grąžintos energijos be įtampos ir nuostolių apskaitos.
Turima šiluma prisideda prie naudingosios paslaugos tik tinkamai suderinta su poreikiu.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.