Politechnika
Warszawska

Katalog
ECTS

Nazwa przedmiotu:

Magazynowanie energii i ogniwa paliwowe

Koordynator przedmiotu:

dr hab. inż. Michał Marzantowicz

Status przedmiotu:

Obowiązkowy

Poziom kształcenia:

Studia II stopnia

Program:

Zarządzanie Bezpieczeństwem Infrastruktury Krytycznej

Grupa przedmiotów:

Kierunkowe

Kod przedmiotu:

-

Semestr nominalny:

2 / rok ak. 2020/2021

Liczba punktów ECTS:

3

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

3 ECTS 30h wykład + 15h ćwiczenia laboratoryjne + 15h projekt + 3h konsultacje + 5h przygotowanie do sprawdzianu + 4h bieżące przygotowanie do wykładu, prace domowe + 5h przygotowanie do laboratorium + 5h studia literaturowe + 3h przygotowanie sprawozdań z laboratoriów + 5h przygotowanie projektu i prezentacji = 90h

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

2,1 ECTS 30h wykład + 15h ćwiczenia laboratoryjne + 15h projekt + 3h konsultacje = 63h

Język prowadzenia zajęć:

polski

Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:

2 ECTS 15h ćwiczenia laboratoryjne + 15h projekt + 3h konsultacje + 5h przygotowanie do sprawdzianu + 4h bieżące przygotowanie do wy-kładu, prace domowe + 5h przygotowanie do laboratorium + 5h studia literaturowe + 3h przygotowanie sprawozdań z laboratoriów + 5h przygotowanie projektu i prezentacji = 60h

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład30h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium15h
• Projekt15h
• Lekcje komputerowe0h

Wymagania wstępne:

Podstawowa wiedza z zakresu fizyki i chemii. Przedmioty Fizyka lub Podstawy Fizyki na studiach 1 stopnia.

Limit liczby studentów:

- od 25 osób do limitu miejsc w sali audytoryjnej (wykład) - od 25 osób do limitu miejsc w sali laboratoryjnej (laboratorium) - od 25 osób do limitu miejsc w sali laboratoryjnej (projekt)

Cel przedmiotu:

Zapoznanie z aktualnymi istotnymi zagadnieniami dotyczącymi magazynowania i konwersji energii, a w szczególności ogniw elektrochemicznych, w tym ogniw paliwowych.

Treści kształcenia:

A. Wykład: 1. Energia. Pojęcia podstawowe. Źródła energii. Magazynowanie i konwersja energii – rys historyczny i przegląd najważniejszych aktualnie stosowanych metod. Zjawiska fizyczne, procesy chemiczne wykorzystywane w urządzeniach do magazynowania energii. Nośniki energii. Wytwarzanie paliw płynnych i gazowych ze źródeł odnawialnych. Rola czynników technicznych, ekonomicznych i ekologicznych w rozwoju urządzeń i instalacji do magazynowania energii. 2. Rozproszone źródła i magazyny energii, model energetyki oparty na mikroźródłach i mikrosieciach. Ekonomiczne aspekty przetwarzania i magazynowania energii. Elektromobilność. Omówienie aktualnej sytuacji prawnej i politycznej na rynku energii w Polsce i na świecie. 3. Elektrochemiczne metody konwersji energii. Podstawy fizyczne i chemiczne działania ogniw. Reakcje elektrodowe. Klasyfikacja ogniw. Zarys historii ogniw. Ogniwa elektrochemiczne I i II rodzaju. Parametryzacja ogniw: siła elektromotoryczna, zgromadzony ładunek i energia. Stan naładowania i żywotność ogniw. Łączenie ogniw w zespoły - baterie. Zarządzanie baterią – BMS. Bezpieczeństwo użytkowania ogniw, aspekty ekologiczne i ekonomiczne. 4. Elementy i materiały do zastosowania w ogniwach. Właściwości elektryczne materiałów elektrodowych i elektrolitów. Rodzaje elektrod. Przewodnictwo jonowe i elektronowe materiałów do ogniw. Kryteria doboru materiałów elektrodowych i elektrolitów, stabilność elektrochemiczna. Pozostałe elementy ogniwa: elektrody rozprowadzające ładunek, separatory, obudowa. 5. Ogniwa ze stałymi elektrodami - przegląd rozwiązań wykorzystywanych praktycznie, m.in. cynkowo-węglowe, alkaliczne, srebrowe, ołowiowe. Ogniwa litowe: podział względem stosowanych materiałów elektrodowych i elektrolitów. Problematyka bezpieczeństwa ogniw Li-ion. Przykłady zastosowań. Alternatywy: ogniwa sodowe, metale dwuwartościowe. 6. Ogniwa z ciekłymi elektrodami – baterie przepływowe. Budowa i zasada działania, przegląd technologii, zastosowania w magazynowaniu energii. 7. Superkondensatory. Opis właściwości złącza elektroda/elektrolit i modele zjawisk występujących na tym złączu. Charakterystyka właściwości fizykochemicznych materiałów stosowanych w superkondensatorach i pseudokondensatorach. Modele elektryczne superkondensatorów. Opis wybranych sposobów zastosowania superkondensatorów do przetwarzania i magazynowania energii. 8. Ogniwa paliwowe. Rodzaje ogniw paliwowych. Zasady działania. Analiza procesów fizykochemicznych zachodzących w poszczególnych klasach ogniw. Właściwości fizyczne materiałów używanych jako anody, katody i elektrolity. Metody pomiarowe używane w badaniach materiałów i procesów zachodzących w ogniwach paliwowych. 9. Zagadnienia konstrukcyjne dotyczące ogniw paliwowych. Przegląd głównych parametrów technicznych i eksploatacyjnych poszczególnych klas ogniw paliwowych. Paliwo stosowane w różnych typach ogniw paliwowych. Zagadnienia konwersji paliwa. Magazynowanie wodoru –przegląd metod. 10. Problem skali poszczególnych typów ogniw paliwowych, ze szczególnych uwzględnieniem urządzeń miniaturowych i przenośnych do zasilania elektroniki użytkowej oraz ogniw średniej wielkości do napędu pojazdów elektrycznych. Aspekty ekologiczne zastosowania ogniw paliwowych C. Laboratorium: 1. Model energetyki oparty na ogniwie paliwowym: a) badanie charakterystyki elektrolizera typu PEM i wyznaczanie sprawności wytwarzania gazowego wodoru b) badanie charakterystyki ogniwa paliwowego typu PEM 2. Superkondensatory jako metoda magazynowania energii 3. Badanie charakterystyki ogniwa litowo-jonowego 4. Pakiety ogniw litowo jonowych i układy zarządzania pakietem 5. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne D. Projekt: Projekty w formie case study – dla każdego zespołu studenckiego określone oddzielne zadanie (magazyn energii), następnie w dwóch turach spotkań oceniany jest projekt roboczy, oraz finalny z prezentacją oraz szczegółowym projektem w formie drukowanej. Specyfikacje case study będą oparte na realnych instalacjach lub aktualnie realizowanych projektach. Po zakończeniu projektu omawiane będą podobieństwa i różnice rozwiązania zaproponowanego przez zespół studencki i rozwiązania istniejącego/realizowanego.

Metody oceny:

A. Wykład: 1. Ocena formatywna: Prace domowe w formie zadań zespołowych 2. Ocena sumatywna: Sprawdzian końcowy C. Laboratorium: 1. Ocena formatywna: Oceniane przygotowanie, wykonanie i sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia 2. Ocena sumatywna: Ocena łączna na podstawie sumy punktów z poszczególnych ćwiczeń D. Projekt: 1. Ocena formatywna: Oceniane są projekt roboczy, finalny i prezentacja 2. Ocena sumatywna: Ocena łączna na podstawie sumy punktów E. Końcowa ocena z przedmiotu: średnia arytmetyczna z trzech ocen (wykład, laboratorium, projekt)

Egzamin:

nie

Literatura:

Obowiązkowa: 1. Pistoia G., 2009 Battery Operated Devices and Systems, Amsterdam: Elsevier, 2. Sørensen B., 2012 Hydrogen and Fuel Cells. Emerging technologies and applications, Amsterdam: Elsevier 3. Huggins R., 210 Energy Storage, Hamburg: Springer 4. Breeze P., 2018 Energy Storage Technologies, Cambridge: Academic Press Uzupełniająca: 1. Komarnicki P., Lombardi P., Styczynski Z., 2017 Electric Energy Storage Systems: Flexibility Options for Smart Grids, Hamburg: Springer 2. Burheim O., 2017 Engineering Energy Storage, Cambridge: Academic Press 3. Chwiejduk D., Jaworski M., 2018 Energetyka odnawialna w budownictwie. Magazynowanie Energii. Warszawa: PWN 4. Czerwiński A., 2005 Akumulatory, baterie, ogniwa, Warszawa: WKŁ

Witryna www przedmiotu:

http://adam.mech.pw.edu.pl/~marzan/

Uwagi:

-

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Charakterystyka B2_W02

Ma ugruntowaną i aktualną wiedzę na temat zagadnień magazynowania i konwersji energii. Zna zastosowania urządzeń do magazynowania energii.
Weryfikacja: Sprawdzian, prace domowe
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_W05

Ma pogłębioną wiedzę na temat problemów technicznych, ekonomicznych, ekologicznych i prawnych związanych z wykorzystaniem metod elektrochemicznych do magazynowania i konwersji energii.
Weryfikacja: Sprawdzian
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_W12

Zna zjawiska fizyczne i procesy chemiczne wykorzystywane w poszczególnych typach urządzeń do magazynowania energii.
Weryfikacja: Sprawdzian
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_W14

Ma podstawową wiedzę na temat konstrukcji układów do przetwarzania i magazynowania energii, opartych na ogniwach elektrochemicznych.
Weryfikacja: Sprawdzian
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka B2_U03

Umie dobrać odpowiedni sposób magazynowania ener-gii do danego zastosowania. Potrafi krytycznie ocenić wady i zalety poszczególnych metod magazynowania energii w danym zastosowaniu
Weryfikacja: Sprawdzian, prace domowe
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_U04

Potrafi wskazać celowość coraz powszechniejszego stosowania zaawansowanych urządzeń do magazynowania i konwersji energii. Umie zidentyfikować czynniki techniczne, ekonomiczne i ekologiczne uzasadniające potrzebę upowszechnienia urządzeń i instalacji do magazynowania energii. Umie wskazać aktualne tendencje w dziedzinie wytwarzania i stosowania urządzeń do magazynowania energii.
Weryfikacja: Sprawdzian, prace domowe
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_U05

Potrafi w jakościowy i ilościowy sposób określać możliwość zastosowania materiałów jako elementów urządzeń do magazynowania energii. Potrafi określać i obliczać na podstawie danych lub wyników eksperymentalnych parametry elektrochemicznych urządzeń do magazynowania energii. Umie dobrać optymalne materiały i elementy do określonego typu urządzenia.
Weryfikacja: Sprawdzian, prace domowe
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_U17

Potrafi wyciągać wnioski z wyników przeprowadzonych badań i krytycznie określić źródła błędów i niepewności wyznaczonych wartości.
Weryfikacja: Sprawozdania z laboratoriów
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Charakterystyka B2_K02

Ma świadomość konieczności stałego monitorowania szybkiego zmieniającego się stanu wiedzy w zakresie magazynowania i konwersji energii. Umie samodzielnie i w niewielkim zespole pracować nad rozwiązaniami problemów związanych z tematyką magazynowania i konwersji energii.
Weryfikacja: Prace domowe
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_K03

Potrafi pracować w zespole przy realizacji określonego zadania. Potrafi dzielić się obowiązkami i jest odpowiedzialny za swoją część przygotowanego raportu. Potrafi krytycznie weryfikować poprawność wyników i roz-wiązań przedstawionych przez innych członków zespołu
Weryfikacja: Sprawozdania z laboratoriów
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Charakterystyka B2_K05

Wskazując ekologiczne, ekonomiczne i społeczne aspekty magazynowania energii potrafi wykazać istotną rolę tej problematyki dla rozwoju społeczeństwa. Dba o rzetelność i bezpieczeństwo proponowanych rozwiązań.
Weryfikacja: Prace domowe, sprawdzian
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
Powiązane charakterystyki obszarowe: