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:

Fizyka Techniczna

Grupa przedmiotów:

Obowiązkowe

Kod przedmiotu:

1050-FTFZM-MSP-3MEO

Semestr nominalny:

2 / rok ak. 2020/2021

Liczba punktów ECTS:

3

Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:

1. godziny kontaktowe – 51 h; w tym a) obecność na wykładach – 30 h b) obecność na ćwiczeniach laboratoryjnych – 15 h c) uczestniczenie w konsultacjach – 3 h d) uczestniczenie w egzaminie – 3 h 2. praca własna studenta – 50 h; w tym a) przygotowanie do egzaminu – 16 h b) bieżące przygotowanie do wykładu – 6 h c) przygotowanie do laboratorium– 12 h d) studia literaturowe – 6 h e) przygotowanie sprawozdań z laboratoriów – 10 h Razem w semestrze 101 h, co odpowiada 3 pkt. ECTS

Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:

1. obecność na wykładach – 30 h 2. obecność na laboratoriach – 15 h 3. uczestniczenie w konsultacjach – 3 h 4. egzamin – 2h Razem w semestrze 50 h, co odpowiada 2 pkt. ECTS

Język prowadzenia zajęć:

polski

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

1. zajęcia laboratoryjne – 15 h 2. opracowanie sprawozdań z laboratorium – 10 h Razem w semestrze 25 h, co odpowiada 1 pkt. ECTS

Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:

• Wykład30h
• Ćwiczenia0h
• Laboratorium15h
• Projekt0h
• Lekcje komputerowe0h

Wymagania wstępne:

Nanostruktury, Strukturalne i termiczne metody badania materiałów

Limit liczby studentów:

brak

Cel przedmiotu:

Zapoznanie, także praktyczne, z aktualnymi istotnymi zagadnieniami dotyczącymi magazynowania i konwersji energii. Przedstawienie aktualnego stanu technologii ogniw elektrochemicznych, w szczególności ogniw paliwowych.

Treści kształcenia:

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 . Laboratorium: 1. Ogniwa paliwowe. Badanie charakterystyki elektrolizera PEM. Wyznaczanie sprawności elektrolizera i określanie ilości energii zmagazynowanej w postaci wodoru i tlenu. Badanie charakterystyki ogniwa paliwowego typu PEM. Wyznaczanie oporu wewnętrznego, sprawności ogniwa paliwowego oraz określenie optymalnych warunków pracy ogniwa. 2. Superkondensatory, Badanie procesu ładowania i rozładowania superkondensatora, wyznaczanie pojemności zgodnie z normą IEC. Samorozładowanie superkondensatorów. Opór wewnętrzny superkondensatora. Działanie zespołu superkondensatorów, funkcje układu zarządzania BMS. 3. Ogniwa litowe 1. Przygotowanie elektrod i elektrolitu, składanie celki. 4. Ogniwa litowe 2 Badanie charakterystyki ogniwa – krzywe ładowania i rozładowania, określanie zgromadzonego ładunku.

Metody oceny:

Ocena z przedmiotu jest wystawiana na podstawie łącznej ilości punktów zdobytych na egzaminie (składającym się z 2 pisemnych części) i ćwiczeniach laboratoryjnych, z uwzględnieniem wymogu obecności na wszystkich ćwiczeniach laboratoryjnych. Na ocenę składają się punkty uzyskane z egzaminu oraz punkty uzyskane na ćwiczeniach laboratoryjnych, w proporcjach 70:30 egzamin:laboratorium. Do zaliczenia przedmiotu wymagane jest 50% możliwych punktów. Skala ocen końcowych z przedmiotu: <50 pkt – 2; 50-60 – 3; 61-70 – 3,5; 71-80 – 4; 81-90 – 4,5; 91-100 – 5.

Egzamin:

tak

Literatura:

Literatura podstawowa 1. G.Pistoia, „Battery Operated Devices and Systems”, Elsevier, 2009 2. B.Sørensen, „Hydrogen and Fuel Cells. Emerging technologies and applications”, Elsevier 2012; 3. A.Czerwiński, Akumulatory, baterie, ogniwa, WKŁ 2005 4. Literatura uzupełniająca 5. Przemyslaw Komarnicki, Pio Lombardi, Zbigniew Styczynski, Electric Energy Storage Systems: Flexibility Options for Smart Grids, Springer 2017 6. Robert Huggins, Energy Storage, Springer 2010 7. Paul Breeze, Energy Storage Technologies, Academic Press 2018 8. Odne Burheim, Engineering Energy Storage, Academic Press 2017 9. D. Chwiejduk, M. Jaworski, Energetyka odnawialna w budownictwie. Magazynowanie Energii. PWN 2018

Witryna www przedmiotu:

Materiały dostępne na stronie http://adam.mech.pw.edu.pl/~marzan/ oraz na stronie www.if.pw.edu.pl/~mwas

Uwagi:

brak

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Efekt OPME_W01

Ma ugruntowaną i aktualną wiedzę na temat zagadnień magazynowania i konwersji energii. Zna zastosowania urządzeń do magazynowania energii.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Efekt OPME_W02

Zna zjawiska fizyczne i procesy chemiczne wykorzystywane w poszczególnych typach urządzeń do magazynowania energii.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Efekt OPME_W03

Ma podstawową wiedzę na temat konstrukcji układów do przetwarzania i magazynowania energii, opartych na ogniwach elektrochemicznych
Weryfikacja: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03, FT2_W07
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05, X2A_W05, T2A_W06

Efekt OPME_W04

Ma pogłębioną wiedzę na temat problemów technicznych, ekonomicznych, ekologicznych i prawnych związanych z wykorzystaniem metod elektrochemicznych do magazynowania i konwersji energii.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_W03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_W03, X2A_W04, X2A_W05, T2A_W03, T2A_W04, InzA_W02, InzA_W05

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Efekt OPME_U01

Umie dobrać odpowiedni sposób magazynowania energii do danego zastosowania. Potrafi krytycznie ocenić wady i zalety poszczególnych metod magazynowania energii w danym zastosowaniu.
Weryfikacja: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U01, FT2_U11
Powiązane efekty obszarowe: X2A_U03, T2A_U01, X2A_U04, T2A_U12

Efekt OPME_U02

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: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U08, FT2_U11, FT2_U13
Powiązane efekty obszarowe: T2A_U08, X2A_U04, T2A_U12, X2A_U08, T2A_U14

Efekt OPME_U03

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: egzamin sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U01, FT2_U11
Powiązane efekty obszarowe: X2A_U03, T2A_U01, X2A_U04, T2A_U12

Efekt OPME_U04

Potrafi wyciągać wnioski z wyników przeprowadzonych badań i krytycznie określić źródła błędów i niepewności wyznaczonych wartości.
Weryfikacja: sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_U17
Powiązane efekty obszarowe: X2A_U02, T2A_U18

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Efekt OPME_K01

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: egzamin, sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_K03
Powiązane efekty obszarowe: X2A_K06, T2A_K02

Efekt OPME_K02

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 rozwiązań przedstawionych przez innych członków zespołu.
Weryfikacja: sprawozdania z laboratoriów
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_K04
Powiązane efekty obszarowe: X2A_K02, T2A_K03

Efekt OPME_K03

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: egzamin
Powiązane efekty kierunkowe: FT2_K06
Powiązane efekty obszarowe: X2A_K04, T2A_K07