A transzportmodell alkalmazhatósága

A pórustér geometriája (pórusméret-eloszlás, áteresztőképesség, tortuozitás stb.) alapvetően határozza meg a rendszerben kialakuló gázáramlás típusát. Jól jellemezhető a pórustér szerkezete a következőkkel: pórusméret-eloszlás görbe, az átlagos pórussugár, a leggyakoribb pórussugár ill. egy 'jellemző' pórussugár (rp35).

Az alábbi (4 ábra) jól szemlélteti a porozitás és permebilitás függvényében, a különböző rp35 értékekhez tartozó kőzetek tartományait, a hagyományos szénhidrogén tárolóktól a legtömörebb ún. shale tárolókig. Az ábrán szerző feltüntette az áramlási rendszereket, továbbá szakirodalmi adatok alapján a becsült gáztermelés értékeit, függőleges hagyományos kútkiképzés illetve többszörösen repesztett vízszintes kútszerkezet kialakításával.

4. ábra Poro-perm diagram, pórusátmérő és az áramlási rendszerek kapcsolata [8]

Fontos hangsúlyozni, hogy a rendkívül kis áteresztőképességű tárolók esetén a gazdaságos termelés csak rétegrepesztés(ek) alkalmazásával lehetséges.

Szerző számításokat végzett a ME AFKI-ban korábban a nem-konvencionális kutatásokhoz kapcsolódóan rendelkezésre álló magminták petrofizikai eredményeinek felhasználásával. A minták 3000 métert meghaladó mélységből származtak, eltérő litológiájú, de általában kis vagy egészen ki porozitással (<5%) valamint kis áteresztőképességgel

180 (<0,1mD) rendelkeztek (jelölve a 4. ábrán).

Annak ellenére, hogy tároló-tulajdonságaik alapján a vizsgált minták abba a tartományba estek, amelynél már az 4. ábra alapján figyelembe kell venni a diffúzió hatását, a fentebb bemutatott paraméterek meghatározásánál, problémát okozott, hogy a hazai tárolók extrém hőmérsékleti- és nyomás viszonyai (UHPHT, ultra magas nyomású és hőmérsékletű) között számított közepes szabad úthossz értékek számos esetben kisebb értéket adtak, mint a molekula átmérője, ami a modell alkalmazhatóságának határát jelzi.

Javadpour és társai [1] szerint a nano-méretű pórusokban a gázmolekulák egyrészt a pórus közepén, másrészt a pórus falán adszorbeálódva helyezkednek el. Amennyiben a pórus fala kerogént is tartalmaz akkor a gázmolekulák a kerogénben diszpergálódva is előfordulhatnak.

Az áramlás során, a pórus középén elhelyezkedő gázmolekulák a pórus méretétől, a gázáramlás átlagnyomásán és hőmérsékletén a gázra jellemző közepes szabad úthossztól függően vagy a nyomáskülönbség vezérelte kontinum jelleggel, azaz siklás nélkül „Darcy”

jellegű áramlással mozognak, vagy bekövetkezik az úgynevezett siklásos „Knudsen” típusú diffúziós áramlás, amikor a gázmolekulák előrehaladását a nyomáskülönbségen kívül a koncentráció különbség okozta diffúzió is befolyásolja. Amennyiben a nano-méretű pórus belsejében a gáz nyomása lecsökken, ami együtt jár a gáz koncentrációjának lecsökkenésével is, akkor megindul a pórus falán adszorbeálódott gázmolekulák deszorbciója is.

A fluxus (7 összefüggés) két komponensének arányáról elmondható, hogy a hazai olajipari hasznosíthatóság szempontjából azok a kőzettípusok tarthatnak számot érdeklődésre, amelyekben a nyomáskülönbség a gázáramlás meghatározó hatóereje.

Az UHTHP rendszerek 1000 bar-t megközelítő vagy meg is haladó körülményei ugyanis egyrészt lassítják a diffúziót, másrészt a rétegrepesztési technológia sikeres alkalmazhatóságának határát is feszegetik.

Hazai viszonylatban, a fentebb bemutatott modell alkalmazása során nem tekinthetünk el attól, hogy a nem-hagyományos tárolók nem csak földgáz telítettséggel, hanem több-kevesebb, sőt néhol jelentős víztelítettséggel rendelkeznek.

A két fluidum egyidejű jelenléte kihat a rendszer gázra vonatkozó áteresztőképességére. A kőzet effektív porozitása a pórustér azon térfogatrészének viszonya a teljes kőzettérfogathoz, mely csak az egymással összeköttetésben lévő, a gáz és a folyadékok szabad áramlását biztosító pórusteret valamint a kapilláris erők által a pórus falához 'kötött' folyadékterét tartalmazza.

5. ábra Poro-perm diagram, pórusátmérő és az áramlási rendszerek kapcsolata

181

Mindkét térfogat magában foglalja viszont az ún. adszorpciósan kötött vizet (5. ábra), mely lyukgeofiziki módszerekkel meghatározható és semmilyen körülmények között nem mozgóképes. A legtöbb porózus anyagnál korreláció létezik a tapadóvíz telítettség és az áteresztőképesség között, mivel mindkét mennyiség a pórusméret-eloszlással függ össze.

Az effektív és az ún. relatív áteresztőképesség fogalmának bevezetése abból a felismerésből ered, hogy az egymással nem elegyedő folyadékok (gáz-víz) porózus közegbeli áramlása egymástól független. Az adott fázisra vonatkozóan az áteresztőképességet az határozza meg, hogy a pórusokat a kérdéses folyadék hány százalékban foglalja el, vagyis a fázisra vonatkozó telítettségtől függ. A gyakorlatban minden tárolókőzet egyedi gázra vonatkozó effektív és relatív áteresztőképességgel rendelkezik.

ÖSSZEFOGLALÁS

A rendkívül kis permeabilitás a tárolókőzetek pórusszerkezetének következménye, ugyanis ezekben a kőzetekben a pórustér túlnyomó többségét mikró, sőt nanoméretű póruscsatornák alkotják, azaz az átlagos pórussugár néhány nanométertől néhány mikrométerig terjed.

Elmondható, hogy az ilyen méretű póruscsatornákban lejátszódó áramlásokra már nem, vagy csak korlátozottan érvényes a széleskörűen alkalmazott Darcy jellegű áramlási modell.

A bemutatott összetett áramlási modell, (nyomás- és diffúzió vezérelte anyag-fluxus) alkalmazhatósága a hazai UHTHP körülmények közötti tárolók esetén korlátokba ütközhet.

FELHASZNÁLT IRODALOM

[1] F. JAVADPOUR, D. FISHER, M. UNSWORTH: Nanoscale gas flow in shale gas sediments Journal of Canadian Petroleum Technology, 2007, Volume 46, No. 10.

[2] F. JAVADPOUR: Nanopores and apparent permeability of gas flow in mudrocks (shales and siltstone) Journal of Canadian Petroleum Technology, August 2009, Volume 48, No. 8.

[3] F. CHIVAN C. S. RAI, C. H. SONDERGELD: Shale gas permeability and diffusivity inferred by improved formulation of relevant retention and transport mechanisms.

Transport Porous Media (2011) 86-925-944 DOI 10.1007/s11242-010-9665-x.

Published online:14 October 2010 Springer Science+ Business Media B.V. 2010

[4] T. ERTEKIN, G. R. KING, F. C. SCHWERER: Dynamic gas slippage: A unique dual-mechanism approach to the flow of gas in tight formation SPE: Formation Evaluation 1986.

[5] PH. H. NELSON: It’s a small world after all – The pore throat size spectrum,AAPG . presentation Denver 2009.

[6] P.W. ATKINS: Fizikai Kémia Tankönyvkiadó, Budapest 1992.

[7] B. FÁBIÁN, M. HARANGOZÓ: Áramlásos módszerek a pórusos anyagok jellemzésére, , BME Oktatási anyag 2013

[8] R. AGUILERA: Flow Units: From Conventional to tight-gas to shale-gas to tight-oil to shale-oil reservoirs, SPE Reservoir Evaliation & Engineering, 2014.

182

ÜZEMANYAGCELLA ALKALMAZÁSA A REPÜLÉSBEN APPLICATION OF FUEL CELLS IN AVIATION

KAVAS László¹, ÓVÁRI Gyula², ROZOVICSNÉ FEHÉR Krisztina³

1alezredes, egyetemi docens, kavas.laszlo@uni-nke.hu

2egyetemi tanár, ovari.gyula@uni-nke.hu

3mérnöktanár, doktorandusz, rozovicsne.feher.krisztina@uni-nke.hu

1,2,3Nemzeti Közszolgálati Egyetem Hadtudományi és Honvédtisztképző Kar, Katonai Repülő Intézet, Repülő Sárkány-hajtómű Tanszék

H-5008 Szolnok, Pf. 1.

Kivonat: A jelenlegi közlekedési eszközök (köztük a légijárművek) számának, alkalmazásuk gyakoriságának növekedése az általuk okozott környezetszennyezést is fokozza. Eközben a kitermelhető, fosszilis eredetű energiahordozók mennyisége csökken, ami áruk  az esetenkénti politikai és/vagy spekulatív szándékú beavatkozások okozta ingadozása ellenére is  hosszabb időtartamra megbízhatóan prognosztizálható, folyamatos emelkedését eredményezi. Széles körben kezdődtek vizsgálatok a repüléstudományban annak tisztázására, milyen eszközökkel lehetne csökkenteni a hajtóművek üzemanyag felhasználását, károsanyag kibocsátását, illetve hogyan illeszthetőek hozzájuk az alternatív hajtóanyagok. Az évtizedek óta zajló kutatások eredményei azt bizonyítják, hogy adódnak lehetőségek a repülésben alkalmazott kerozin és benzin részleges, vagy teljes kiváltására, többek között az üzemanyagcellák is ilyen megoldást kínálnak.

A cikkben bemutatjuk az üzemanyagcellák történetét, fajtáit, működését, továbbá azon repülőgépek közül néhányat, amelyek meghajtásukhoz ezeket használják. Áttekintjük, miért előnyös ez a hajtásmód más megoldásokhoz képest  legyen az hagyományos vagy alternatív  milyen hátrányai vannak, és mennyi károsanyag kerül alkalmazásuk nyomán a környezetbe.

Kulcsszavak: üzemanyagcella, repülés, alternatív üzemanyag

Abstract: The high number and the very intense use of the means of transport (including aerial vehicles) increases the related environmental pollution. Meanwhile the amount of available fossil energy sources drops, their price, despite the occasional price fluctuation caused by sometimes political or speculative interventions, well predictable for a long run continuously increases. Wide range of initiations have started in aviation science about the possible methods and devices which would help to decrease the fuel consumption and the harmful emission of the aircraft engines meanwhile there are efforts to find new alternative energy sources in aviation.

The results of decades-long researches prove that it is possible to redeem wholly or partly the kerosene and gasoline in aviation transport. Most of them the fuel cells can offer such a solution.

In this paper we show the history, the types, the working principle of fuel cells, furthermore some aircraft which are driven by this solution. We review why this power source beneficial comparing to other methods either traditional alternative, what are their disadvantages and how much harmful pollution is emitted by them into the environment.

Keywords: fuel cell, aviation, alternative fuel

1. AZ ÜZEMANYAGCELLA