Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Σπουδαστές Α.Ε.Μ Α.Ε.Μ Επιβλέπουσα Καθηγήτρια

Transcript

1

2 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σπουδαστές ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ N. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΣΙΜΟΣ N. ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ Α.Ε.Μ Α.Ε.Μ Επιβλέπουσα Καθηγήτρια Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα, Ιανουάριος 2010

3 Αφιερώνεται στους πολυαγαπημένους μας γονείς και στην καθηγήτριά μας

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μας Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μας στο Τμήμα Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε τον Απρίλιο του 2009 και ολοκληρώθηκε τον Ιανουάριο του 2010, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα εργασία, είχε ως θέμα «Στατιστική βιβλιογραφική έρευνα των σύγχρονων δυνατοτήτων αξιοποίησης του Υδρογόνου». Ο τελικός στόχος αυτής ήταν η συγκέντρωση στοιχείων, η διατύπωση παρατηρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων τα οποία πιθανό να φανούν χρήσιμα στη μελλοντική ευρεία αξιοποίηση του Υδρογόνου στον Πλανήτη. Αισθανόμαστε την υποχρέωση να ευχαριστήσουμε θερμά την Καθηγήτρια κα Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μας παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μας για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μας, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχαμε από μέρους τους, καθώς και για την υπομονή και κατανόηση που μας έδειξαν ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μας.

5 Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μας να μην αναφερθούμε στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μας, για την προθυμία με την οποία μας παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειαστήκαμε, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μας περιβάλλον, οι οποίοι μας συμπαραστάθηκαν και μας ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μας. Θεοδωράκης Ν. Αριστοτέλης Σίμος Ν. Εμμανουήλ

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΩΣ ΦΟΡΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΩΣ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Η ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΝΑΦΛΕΞΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΟ HINDENBURG ΑΝΤΙΚΡΟΥΟΜΕΝΕΣ ΑΠΟΨΕΙΣ 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΕΠΑΡΚΕΙΑ ΥΠΑΡΧΟΝΤΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΓΩΓΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΝΟΜΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΩΛΗΝΩΣΕΩΝ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΣΩΛΗΝΩΝ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 21

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ5 ο ΧΡΗΣΗ ΑΕΡΙΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΓENIKA 5.2 ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΕ ΟΧΗΜΑΤΑ 6.1 ΓΕΝΙΚΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ 28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο ΚΟΣΤΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗ ΒΕΝΖΙΝΗ 7.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΟΣΤΟΥΣ ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗΣ ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ο ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Η ΑΠΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ή ΑΠΟ Α.Π.Ε. 8.1 ΓΕΝΙΚΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΠΥΡΙΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΚΑΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΒΕΝΖΙΝΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ο ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΟ ΚΛΙΜΑ ΤΗΣ ΓΗΣ, ΣΤΟ ΥΔΑΤΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΧΗ- ΜΕΙΑ

8 9.1 ΓΕΝΙΚΑ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΣΕ ΝΕΡΟ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΣΕ ΟΞΥΓΟΝΟ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΤΟ ΣΤΡΩΜΑ ΤΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΣΤΟ ΚΛΙΜΑ 53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 ο ΕΤΟΙΜΟΤΗΤΑ ΓΙΑ ΒΙΩΣΙΜΗ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΣΤΟ ΥΔΡΟ- ΓΟΝΟ 10.1 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ 59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 11.1 Η ΒΑΣΙΛΕΙΑ ΤΟΥ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΕΝΝΑΛΑΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΕΝΙΚΕΥΣΗ 70 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

9 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΙΚΟΝΕΣ Εικόνα 1.1 Διαστημικό πρόγραμμα NASA 7 Εικόνα 2.1 Εργοστάσιο παραγωγής Υδρογόνου στις Η.Π.Α 8 Εικόνα 2.2 Σωλήνωση Υδρογόνου στην Αλάσκα 11 Εικόνα 2.3 Δεξαμενές με αποθηκευμένο Υδρογόνο 12 Εικόνα 3.1 Εικόνα Αερόστατου με Υδρογόνο Hindenburg 16 Εικόνα 4.1 Σωλήνες μικρού Μήκους και διαμέτρου για την μεταφορά Υδρογόνου 18 Εικόνα 4.2 Μονάδα Αποθήκευσης Υδρογόνου 19 Εικόνα 4.3 Δεξαμενές Αποθήκευσης Υδρογόνου στις Η.Π.Α 20 Εικόνα 4.4 Σωληνώσεις Υδρογόνου στη Νέα Ζηλανδία 21 Εικόνα 5.1 Αυτοκίνητο της Honda με Υδρογόνο 23 Εικόνα 5.2 Αυτοκίνητο της Toyota με βάση Υδρογόνο (αναμένεται το Εικόνα 6.1 Δεξαμενή Αποθήκευσης Υδρογόνου 29 Εικόνα 6.2 Σταθμός Ανεφοδιασμού Οχημάτων με Υδρογόνο 30 Εικόνα 6.3 Δεξαμενή Αποθήκευσης Υδρογόνου στο πορτ-μπαγκάζ 31 Εικόνα 7.1 Σατιρική Απεικόνιση ακρίβειας της Βενζίνης 33 Εικόνα 7.2 Απεικόνιση ενός σημερινού σταθμού Ανεφοδιασμού βενζίνης 34 Εικόνα 8.1 Παραγωγή Ενέργειας από Α.Π.Ε 37 Εικόνα 8.2 Εργοστάσιο παραγωγής Πυρηνικής Ενέργειας από Α.Π.Ε 40 Εικόνα 8.3 Εργοστάσιο Παραγωγής Φυσικού Αερίου 47 Εικόνα 9.1 Ωκεανός 54 Εικόνα 9.2 Επισκευή Δρόμου ύστερα από διαρροή αερίου καυσίμου 56 Εικόνα 10.1 Πόλη Ιαπωνίας τροφοδοτούμενη εξ ολοκλήρου με Υδρογόνο 59

10 Εικόνα 11.1 Αποθήκη με βαρέλια πετρελαίου 62 Εικόνα 11.2 Τμήμα Εργοστασίου για την Παραγωγή Υδρογόνου 66 Εικόνα 11.3 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 68 Εικόνα 11.4 Εγκατεστημένα φωτοβολταϊκά σε κτίριο 71

11 ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1 Άτομο Υδρογόνου 1 Σχήμα 1.2 Κυψέλες Καυσίμου Υδρογόνου 6 Σχήμα 2.1 Διάταξη Ατόμων Μεθανόλης 10 Σχήμα 3.1 Μέτρα Ασφαλείας Εργοστασίου Παραγωγής Υδρογόνου 14 Σχήμα 6.1 Τρισδιάστατη απεικόνιση Ανεφοδιασμού Οχήματος με Υδρογόνο 32 Σχήμα 8.1 Διαδικασία τυπικής Ηλεκτρόλυσης 44 Σχήμα 9.1 Φυσικοί Υπεύθυνοι Παράγοντες για το Κλίμα της Γής 51 Σχήμα 10.1 Διαδικασία ολοκληρωμένης μετάβασης Υδρογόνου στην αυτοκινητοβιομηχανία 58 Σχήμα 11.1 Μεμβράνη Ανταλλαγής Πρωτονίων 63

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο Εισαγωγή K1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Το Υδρογόνο είναι το πιο απλό στοιχείο που είναι γνωστό στον άνθρωπο. Κάθε άτομο Υδρογόνου έχει μόνο ένα πρωτόνιο (σχήμα 1.1). Είναι επίσης το πιο άφθονο αέριο στο Σύμπαν. Τα αστέρια αποτελούνται κυρίως από Υδρογόνο. Σχήμα 1.1 Άτομο Υδρογόνου ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 1

13 Εισαγωγή Ο Ήλιος είναι βασικά μια γιγάντια μπάλα αερίων Υδρογόνου και ηλίου. Μέσα στον πυρήνα του Ήλιου, συνδυάζονται άτομα Υδρογόνου για να σχηματίσουν άτομα ηλίου. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται σύντηξη και εκλύει Ενέργεια ακτινοβολίας. Αυτή η Ενέργεια ακτινοβολίας συντηρεί τη ζωή στη Γη. Δίνει στη Γη φως και βοηθά στην ανάπτυξη των φυτών. Δημιουργεί άνεμους και βροχοπτώσεις. Είναι αποθηκευμένη ως χημική Ενέργεια στα ορυκτά καύσιμα. Το μεγαλύτερο μέρος της Ενέργειας που χρησιμοποιεί σήμερα ο άνθρωπος προέρχεται από την ηλιακή Ενέργεια ακτινοβολίας. Το αέριο Υδρογόνο είναι ελαφρύτερο από τον αέρα και κατά συνέπεια, ανυψώνεται στην ατμόσφαιρα. Για το λόγο αυτό, το Υδρογόνο ως αέριο (H2) δε βρίσκεται από μόνο του στη Γη. Βρίσκεται μόνο σε σύνθετη μορφή μαζί με άλλα στοιχεία. Το Υδρογόνο σε συνδυασμό με το οξυγόνο, δίνει το νερό (H2O). Το Υδρογόνο σε συνδυασμό με τον άνθρακα, σχηματίζει διάφορους συνδυασμούς, όπως το μεθάνιο (CH4), ο λιθάνθρακας και το πετρέλαιο. Το Υδρογόνο βρίσκεται επίσης σε όλα τα αναπτυσσόμενα πράγματα όπως η βιομάζα. Είναι επίσης ένα άφθονο στοιχείο στο Γήινο φλοιό. Το Υδρογόνο έχει το υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο από οποιοδήποτε κοινό καύσιμο κατά βάρος (περίπου τρεις φορές περισσότερο από τη βενζίνη), αλλά το χαμηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο κατά όγκο (περίπου τέσσερις φορές λιγότερο από τη βενζίνη). Είναι το ελαφρύτερο στοιχείο και σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης είναι αέριο. K1 1.2 ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΩΣ ΦΟΡΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Οι φορείς Ενέργειας (energy carriers) μεταφέρουν Ενέργεια σε αξιοποιήσιμη μορφή από το ένα μέρος στο άλλο. Η ηλεκτρική Ενέργεια είναι ο πιο γνωστός φορέας Ενέργειας. Η ηλεκτρική Ενέργεια χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της Ενέργειας από το λιθάνθρακα, από το ουράνιο και από άλλες πηγές Ενέργειας, από μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής Ενέργειας σε σπίτια και σε Επιχειρήσεις. Ηλεκτρική Ενέργεια επίσης χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της Ενέργειας του ρέοντος νερού από τα υδροηλεκτρικά φράγματα στους καταναλωτές. Είναι πολύ πιο εύκολη η χρήση της ηλεκτρικής Ενέργειας παρά η χρήση της Ενέργειας των ίδιων των ενεργειακών πηγών. ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 2

14 Εισαγωγή Όπως η ηλεκτρική Ενέργεια, το Υδρογόνο αποτελεί ενεργειακό φορέα και πρέπει να παραχθεί από μια άλλη ουσία. Το Υδρογόνο δε χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως, αλλά έχει μεγάλες δυνατότητες ως φορέας Ενέργειας στο μέλλον. Το Υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από μια ποικιλία πόρων (νερό, ορυκτά καύσιμα, βιομάζα) και είναι ένα υποπροϊόν άλλων χημικών διεργασιών. Σε αντίθεση με την ηλεκτρική Ενέργεια, μεγάλες ποσότητες Υδρογόνου μπορούν εύκολα να αποθηκευτούν για να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον. Το Υδρογόνο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε χώρους όπου είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί ηλεκτρική Ενέργεια. Το Υδρογόνο μπορεί να αποθηκεύσει την Ενέργεια έως ότου να χρειαστεί και μπορεί να μεταφερθεί εκεί που χρειάζεται. K1 1.3 ΠΩΣ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Δεδομένου ότι το Υδρογόνο δεν υπάρχει στη Γη ως αέριο, πρέπει να διαχωρίζεται από άλλα στοιχεία. Είναι δυνατό να διαχωριστούν τα άτομα του Υδρογόνου από το νερό, τη βιομάζα, ή από τα μόρια του φυσικού αερίου. Οι δύο πιο κοινές μέθοδοι για την παραγωγή Υδρογόνου είναι ο ανασχηματισμός ατμού και η ηλεκτρόλυση (διάσπαση του νερού). Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ότι ορισμένα φύκια και βακτήρια εκλύουν Υδρογόνο. Ο ανασχηματισμός ατμού είναι αυτήν τη στιγμή η λιγότερο δαπανηρή μέθοδος παραγωγής Υδρογόνου και αντιπροσωπεύει περίπου το 95% του Υδρογόνου που παράγεται στις Ηνωμένες Πολιτείες. Χρησιμοποιείται σε Βιομηχανίες για το διαχωρισμό των ατόμων του Υδρογόνου από τα άτομα του άνθρακα στο μεθάνιο (CH4). Επειδή το μεθάνιο είναι ένα ορυκτό καύσιμο, η διαδικασία του ανασχηματισμού του ατμού έχει σαν αποτέλεσμα εκπομπές αερίων θερμοκηπίου που συνδέονται με την υπερθέρμανση του Πλανήτη. Η ηλεκτρόλυση είναι μια διαδικασία που διαχωρίζει το Υδρογόνο από το νερό. Αυτή δεν έχει σαν αποτέλεσμα εκπομπές αλλά είναι προς το παρόν μια πολύ δαπανηρή διαδικασία. Νέες Τεχνολογίες αναπτύσσονται συνεχώς. Το Υδρογόνο μπορεί να παραχθεί σε μεγάλες κεντρικές εγκαταστάσεις ή σε μικρές μονάδες για τοπική χρήση. Κάθε περιοχή της χώρας (και του Κόσμου) έχει ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 3

15 Εισαγωγή κάποιον πόρο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή Υδρογόνου. Η ευελιξία του είναι ένα από τα βασικά του πλεονεκτήματα. K1 1.4 ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Περίπου εννέα (9) εκατομμύρια μετρικοί τόνοι Υδρογόνο παράγονται σήμερα στις Ηνωμένες Πολιτείες, ισχύς αρκετή για την τροφοδοσία είκοσι έως τριάντα (20 30) εκατομμυρίων αυτοκινήτων ή πέντε έως οκτώ (5 8) εκατομμυρίων σπιτιών. Σχεδόν εξ ολοκλήρου αυτό το Υδρογόνο χρησιμοποιείται από τη Βιομηχανία για διύλιση, για επεξεργασία μετάλλων, καθώς και για την κατεργασία τροφίμων. Το μεγαλύτερο μέρος αυτού του Υδρογόνου παράγεται σε τρία μόλις κράτη: στην Καλιφόρνια, στη Λουιζιάνα και στο Τέξας. Εικόνα 1.1 Διαστημικό πρόγραμμα NASA ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 4

16 Εισαγωγή Η NASA (National Aeronautics and Space Administration) είναι ο κύριος χρήστης του Υδρογόνου ως ενεργειακού καυσίμου. Έχει χρησιμοποιήσει το Υδρογόνο εδώ και χρόνια σε διαστημικά προγράμματα. Υγρό καύσιμο Υδρογόνο ανεβάζει το διαστημόπλοιο σε τροχιά. Οι μπαταρίες Υδρογόνου, που ονομάζονται κυψέλες καυσίμου, τροφοδοτούν τα ηλεκτρικά συστήματα του διαστημοπλοίου. Το μόνο υποπροϊόν είναι καθαρό νερό, που χρησιμοποιεί το πλήρωμα ως πόσιμο νερό. Οι κυψέλες καυσίμου Υδρογόνου (μπαταρίες) παράγουν ηλεκτρική Ενέργεια. Είναι πολύ αποδοτικές, αλλά ακριβές στην κατασκευή τους. Οι μικρές κυψέλες καυσίμου μπορούν να τροφοδοτήσουν ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Οι μεγάλες κυψέλες καυσίμου μπορεί να παρέχουν ηλεκτρική Ενέργεια σε τοποθεσίες που δεν υπάρχουν γραμμές ισχύος. K1 Σχήμα 1.2 Κυψέλες Καυσίμου Υδρογόνου Λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής των κυψελών καυσίμου, μεγάλα εργοστάσια Υδρογόνου δεν θα κτιστούν για λίγο καιρό. Ωστόσο, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται σε ορισμένα σημεία ως πηγή Ενέργειας έκτακτης ανάγκης σε νοσοκομεία και σε ερημικές τοποθεσίες. Φορητές κυψέλες καυσίμου ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 5

17 Εισαγωγή πωλούνται για την παροχή μεγαλύτερης διάρκειας ισχύος για φορητούς υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα και στρατιωτικές εφαρμογές. K1 1.5 ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ Σήμερα, υπολογίζεται ότι υπάρχουν περίπου τετρακόσια (400) έως πεντακόσια (500) οχήματα που χρησιμοποιούν Υδρογόνο στις Η.Π.Α., κυρίως στην Καλιφόρνια. Τα περισσότερα από τα οχήματα αυτά είναι λεωφορεία και αυτοκίνητα που κινούνται με ηλεκτροκινητήρες. Αποθηκεύουν το αέριο ή το υγρό Υδρογόνου στο όχημα και μετατρέπουν το Υδρογόνο σε ηλεκτρική Ενέργεια για τον κινητήρα με τη χρήση μιας κυψέλης καυσίμου. Μόνο λίγα από αυτά τα οχήματα καίνε το Υδρογόνο απευθείας (προκαλώντας σχεδόν καθόλου ρύπανση). Το σημερινό κόστος των οχημάτων κυψελών καυσίμου υπερβαίνει κατά πολύ εκείνο των συμβατικών οχημάτων, εξαιτίας του κόστους παραγωγής κυψελών καυσίμου. Τα οχήματα Υδρογόνου έχουν αρχίσει να μετακινούνται από το Εργαστήριο στο δρόμο. Μία οικογένεια της Καλιφόρνιας έχει πρόσφατα μισθώσει ένα αυτοκίνητο Υδρογόνου για προσωπική χρήση. Η Αμερικανική Ταχυδρομική Υπηρεσία (U.S. Postal Service), μια Εταιρεία παράδοσης πακέτων και μερικές Ιδιωτικές Εταιρείες κοινής ωφέλειας, χρησιμοποιούν επίσης οχήματα Υδρογόνου. Θα χρειαστούν όμως τουλάχιστον δέκα (10) χρόνια έως ότου να είναι κάποιος σε θέση να οδηγεί ένα οικονομικά συμφέρον αυτοκίνητο Υδρογόνου. Ακόμη και τότε, θα χρειάζεται μια τοποθεσία για να τον ανεφοδιασμό του αυτοκινήτου Υδρογόνου. Σήμερα, υπάρχουν εξήντα τρεις (63) σταθμοί ανεφοδιασμού Υδρογόνου σε Εθνικό επίπεδο, οι μισοί περίπου από τους οποίους είναι εγκατεστημένοι στην Καλιφόρνια. Αυτό είναι το λεγόμενο πρόβλημα «της κότας και του αυγού» το οποίο οι ασχολούμενοι με το Υδρογόνο εργάζονται σκληρά για να επιλύσουν. Συγκεκριμένα, ποιος θα αγοράσει αυτοκίνητα Υδρογόνου, εάν δεν υπάρχουν σταθμοί ανεφοδιασμού; Και ποιος θα πληρώσει για την κατασκευή ενός σταθμού ανεφοδιασμού όταν δεν υπάρχουν αυτοκίνητα και πελάτες; Μια πιθανή λύση είναι να εξαλειφτούν εντελώς οι σταθμοί ανεφοδιασμού. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων έχουν ήδη σχεδιάσει μια γεννήτρια Υδρογόνου, μεγέθους ενός ψυγείου, για το γκαράζ, που δε λειτουργεί με ηλεκτρική Ενέργεια. Οι ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 6

18 Εισαγωγή καταναλωτές θα πρέπει απλώς να γεμίζουν τα αυτοκίνητά τους με Υδρογόνο κάθε βράδυ, ενώ είναι σταθμευμένα. K1 1.6 ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Το Υδρογόνο έχει μεγάλες δυνατότητες σαν ένα περιβαλλοντικά καθαρό ενεργειακό καύσιμο και σαν ένα μέσο για τη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενες πηγές Ενέργειας. Προτού να μπορεί το Υδρογόνο να παίξει ένα μεγαλύτερο ενεργειακό ρόλο και να γίνει μια ευρέως χρησιμοποιούμενη εναλλακτική λύση για τη βενζίνη, πρέπει να κατασκευαστούν πολλές νέες εγκαταστάσεις και συστήματα. Απαιτούνται εγκαταστάσεις παραγωγής, αποθήκευσης και μεταφοράς Υδρογόνου. Απαιτούνται οικονομικές κυψέλες καυσίμου. Και οι καταναλωτές θα χρειαστούν την Τεχνογνωσία και την Εκπαίδευση για την ασφαλή χρήση του. ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 7

19 Ανάπτυξη της Βιομηχανίας του Υδρογόνου K2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Η παραγωγή του Υδρογόνου είναι ήδη μια μεγάλη και ώριμη Βιομηχανία, που χρησιμοποιεί τουλάχιστον το 5% της παραγωγής φυσικού αερίου των Η.Π.Α. Παγκοσμίως, περίπου πενήντα (50) εκατομμύρια μετρικοί τόνοι Υδρογόνου παράγονται για Βιομηχανική χρήση κάθε έτος. Αυτό είναι πάνω από μισό τρισεκατομμύριο κυβικά μέτρα που μετριούνται σε ατμοσφαιρική πίεση. Εικόνα 2.1 Εργοστάσιο παραγωγής Υδρογόνου στις Η.Π.Α. ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 8

20 Ανάπτυξη της Βιομηχανίας του Υδρογόνου Το Τμήμα Ενέργειας (DOE) αναφέρει ότι περίπου το 48% της συνολικής παραγωγής Υδρογόνου ανασχηματίζεται από το φυσικό αέριο, το 30% από το πετρέλαιο και το 18% από τον άνθρακα (κυρίως στην Κίνα και στη Νότια Αφρική για την παραγωγή λιπάσματος αζώτου το μισό Παγκόσμιο Υδρογόνο πηγαίνει σε λίπασμα βασισμένο σε αμμωνία). Μόνο το 4% του Παγκόσμιου Υδρογόνου προέρχεται από ηλεκτρόλυση, επειδή εκείνη η διαδικασία μπορεί να ανταγωνιστεί με τον ανασχηματισμό των απολιθωμένων καυσίμων μόνο κάτω από τρεις κύριες προϋποθέσεις: με πολύ φθηνή ηλεκτρική Ενέργεια, γενικά κάτω από 2 c /kwh, άν το Υδρογόνο είναι ένα υποπροϊόν (περίπου το 2%, παραδείγματος χάριν, γίνεται ακούσια κατά τη διάρκεια της ηλεκτρολυτικής παραγωγής χλωρίου chloralkali ) ή ίσως εάν ο παραγωγός χρεώνεται για τις εκπομπές άνθρακα και έχει μια ελεύθερη πηγή ηλεκτρικής Ενέργειας από άνθρακα και δεν υπάρχει κανένας τρόπος να διαχωρίσει (συντήρηση από την ατμόσφαιρα) τον άνθρακα που απελευθερώνεται από τον ανασχηματισμό των απολιθωμένων καυσίμων. K2 2.2 Η ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Η παραγωγή Υδρογόνου στις ΗΠΑ είναι τουλάχιστον το ένα πέμπτο και πιθανόν κοντά στο ένα τρίτο του Παγκόσμιου συνόλου. Είναι ισοδύναμο με περίπου το 1,8% της συνολικής κατανάλωσης Ενέργειας των ΗΠΑ και το 95% προέρχεται από το φυσικό αέριο(στην αγνότητα είναι περίπου 99% από τον ανασχηματισμό ατμού και τη σχετική επεξεργασία καθαρισμού). Κατά προσέγγιση το 47% των ΗΠΑ (ή το 37 με 45% της παραγωγής Παγκόσμιου Υδρογόνου) χρησιμοποιείται σύμφωνα με τις υπάρχουσες πληροφορίες στις εγκαταστάσεις καθαρισμού, γίνεται επιτόπου, συνήθως με τον ανασχηματισμό ατμού του αερίου ή του πετρελαίου και χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή των καυσίμων βενζίνης και ντίζελ. Η περισσότερη παραγωγή Υδρογόνου από τις εγκαταστάσεις καθαρισμού είναι σκόπιμη, χρησιμοποιημένη για να κάνει πλούσια σε Υδρογόνο τα καθαρισμένα προϊόντα ή για να αφαιρέσει το θείο από αυτά. Μερικά είναι ένα υποπροϊόν της παραγωγής των αρωματικών ενώσεων. Το υπόλοιπο της παραγωγής του Παγκόσμιου Υδρογόνου πηγαίνει στο λίπασμα αμμωνίας, τη μεθανόλη, τα πετροχημικά, τα εδώδιμα λίπη και τα έλαια, την παραγωγή μετάλλων, τα μικροτσίπ και σε άλλα προϊόντα και λίγο στους πρόσθετους Βιομηχανικούς φούρνους. ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 9

21 Ανάπτυξη της Βιομηχανίας του Υδρογόνου K2 Σχήμα 2.1 Διάταξη Ατόμων Μεθανόλης Η Παγκόσμια παραγωγή Υδρογόνου διπλασιάζεται, σύμφωνα με τις υπάρχουσες πληροφορίες, ανά δεκαετία, οδηγούμενη από τις εγκαταστάσεις καθαρισμού που πρέπει να παράγουν καύσιμα χαμηλού θείου και από άλλες αναπτυσσόμενες Βιομηχανίες. Η πρόοδος της χρήσης για το λίπασμα είναι σχετικά επίπεδη για την προηγούμενη δεκαετία και η χρήση για τη μεθανόλη αυξάνεται πιο αργά (κατά προσέγγιση με το Α.Ε.Π.) όσο οι προοπτικές εξασθενίζουν για την ευρεία χρήση της μεθανόλης (παραγόμενης πρόσθετης ουσίας βενζίνης MTBE), τόσο η μεγαλύτερη αγορά αύξησης για το Βιομηχανικό Υδρογόνο εμφανίζεται να είναι οι εγκαταστάσεις καθαρισμού. 2.3 Η ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Η Βιομηχανική υποδομή για τη συγκεντρωμένη παραγωγή Υδρογόνου υπάρχει ήδη. Σε όλη τη Βιομηχανία, το περισσότερο Υδρογόνο παράγεται αυτήν την περίοδο ευρέως στις εγκαταστάσεις και χρησιμοποιείται επί του Βιομηχανικού τόπου ή εδώ κοντά. Υπάρχουν περίπου 1500 km πρόσθετες σωληνώσεις Υδρογόνου (720 km στη Βόρεια Αμερική) που λειτουργούν μέχρι τα 100 bar. Κινούμενο το Υδρογόνο μέσα στους σωλήνες χάνεται περίπου το μισό της ηλεκτρικής Ενέργειας που μεταφέρεται και η σωλήνωση είναι πολύ μικρότερη (μια σωλήνωση Υδρογόνου με 1,7 m διαμέτρου με 70 bar πίεση παραδίδει 16 GW), ενώ ένας ψηλός πυλώνας 60 m με τρία ζευγάρια ηλεκτροφόρων καλωδίων ±500 kv D.C., παραδίδει μόνο 9 GW). ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 10

22 Ανάπτυξη της Βιομηχανίας του Υδρογόνου Το Υδρογόνο είναι λιγότερο πυκνό και χρειάζεται περισσότερη Ενέργεια συμπιεστών από το φυσικό αέριο, αλλά επίσης ρέει καλύτερα, έτσι η μεταφορά του Υδρογόνου μέσω των υπαρχουσών σωληνώσεων φυσικού αερίου θα παρέδιδε μόνο 20-25% λιγότερη καθαρή Ενέργεια της κατανάλωσης συμπιεστών που επιτρέπει έτσι στην αποδοτικότερη τελική χρήση του Υδρογόνου για να παραδώσει περισσότερη κάλυψη αναγκών από ότι στην αρχική φυσική ροή αερίου. Οι σωληνώσεις μπορούν επίσης να είναι φτηνότερες, ευκολότερες στην τοποθέτηση, και ασφαλέστερες από τις υπέργειες υψηλής τάσεως ηλεκτρικές γραμμές μετάδοσης. Οι σωληνώσεις Υδρογόνου μεταφέρουν κανονικά το συμπιεσμένο αέριο Υδρογόνου (μη χαμηλής θερμοκρασίας υγρό Υδρογόνο). Μόνο περίπου 0,001 με 0,003% όλου του Υδρογόνου που παράγεται είναι υγροποιημένο και κρυοστατικά διοχετευμένο σε σωλήνες. K2 Εικόνα 2.2 Σωλήνωση Υδρογόνου στην Αλάσκα Η συγκεντρωμένη παραγωγή Υδρογόνου αναπτύσσεται μαζί με τις σημαντικές Βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Ακόμα οι περισσότερες μελλοντικές χρήσεις του Υδρογόνου δεν είναι συγκεντρωμένες για να εξυπηρετήσουν τα εκατομμύρια των διασκορπισμένων πελατών. Αυτό το διασκορπισμένο σχέδιο της ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 11

23 Ανάπτυξη της Βιομηχανίας του Υδρογόνου χρήσης απαιτεί ένα διαφορετικό σχέδιο της παραγωγής, όχι τόσο πολύ στις συγκεντρωμένες εγκαταστάσεις όσο στα μικρά εργοστάσια κοντά στους καταναλωτές/πελάτες. Αυτό μπορεί συχνά να παραδώσει φτηνότερο Υδρογόνο, επειδή οι μεταρρυθμιστές και οι ηλεκτρολύτες που λειτουργούν καλά σε μια μικρή κλίμακα, μπορούν να καταστήσουν την παράδοση Υδρογόνου απλούστερη ή περιττή: αντί αυτού, θα επηρεάσουν τα υπάρχοντα πλέγματα διανομής αερίου και ηλεκτρικής Ενέργειας, ειδικά κατά τη διάρκεια των εκτός των ωρών αιχμής περιόδων όταν (εξ ορισμού) έχουν την πλεονάζουσα ικανότητα. Οδηγημένη από τα οικονομικά της προσφοράς και της ζήτησης, η Βιομηχανία Υδρογόνου θα εξελιχθεί οργανικά σε πολλές κλίμακες και για πολλές χρήσεις εάν δεν καθυστερείται αδικαιολόγητα από τους μύθους. K2 Εικόνα 2.3 Δεξαμενές με αποθηκευμένο Υδρογόνο ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 12

24 Επικινδυνότητα της χρήσης Υδρογόνου K3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Η Βιομηχανία Υδρογόνου έχει αξιοζήλευτα μέτρα ασφάλειας που εφαρμόζονται για περισσότερο από μισό αιώνα. Οποιαδήποτε καύσιμα που είναι επικίνδυνα χρειάζονται την οφειλόμενη προσοχή αλλά οι κίνδυνοι του Υδρογόνου είναι διαφορετικοί και γενικά πιο ήπιας μορφής από εκείνους των καυσίμων υδρογονανθράκων. Είναι αέριο που επιπλέει εξαιρετικά, είναι δέκα τέσσερις κόμμα τέσσερεις (14,4) φορές ελαφρύτερο από τον αέρα [το φυσικό αέριο είναι μόνο ένα κόμμα επτά (1,7) φορές ελαφρύτερο από τον αέρα]. Το Υδρογόνο είναι τέσσερις (4) φορές πιο διάχυτο από το φυσικό αέριο ή δώδεκα φορές περισσότερο διάχυτο από τους ατμούς της βενζίνης, έτσι το διαρρέον Υδρογόνο διασκορπίζεται γρήγορα επάνω και μακριά από την «πηγή» του. 3.2 ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΝΑΦΛΕΞΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Εάν αναφλεγεί, το Υδρογόνο καίγεται γρήγορα με μια μη - φωτεινή φλόγα που δε μπορεί να μας κάψει εύκολα σε μια απόσταση, εκπέμποντας μόνο το ένα δέκατο της ακτινοβόλου θερμότητας μιας πυρκαγιάς υδρογονανθράκων και καίει 7% ψυχρότερα από τη βενζίνη. Αν και οι πυροσβέστες αντιπαθούν τη σαφή φλόγα του Υδρογόνου επειδή χρειάζονται μια ειδική συσκευή εξέτασης για να τη δουν στο φως της ημέρας, τα θύματα γενικά δεν καίγονται εκτός αν είναι πραγματικά μέσα στη φωτιά, ούτε πνίγονται από τον καπνό. 13

25 Επικινδυνότητα της χρήσης Υδρογόνου Τα μίγματα Υδρογόνου στον αέρα είναι δύσκολο να εκραγούν, απαιτώντας έναν περιορισμένο όγκο επιμηκυμένης μορφής. Η έκρηξη απαιτεί τουλάχιστον ένα με δύο φορές πλουσιότερο μίγμα Υδρογόνου από το φυσικό αέριο, αν και η εκρηκτική δυνατότητα του Υδρογόνου συνεχίζεται σε ένα τέσσερις φορές υψηλότερο όριο. Το Υδρογόνο αναφλέγεται εύκολα, χρειάζεται δεκατέσσερις (14) φορές λιγότερη Ενέργεια από το φυσικό αέριο, αλλά αυτό είναι αμφίβολης σχετικότητας επειδή ακόμη και το φυσικό αέριο μπορεί να αναφλεγεί από ένα σπινθήρα ηλεκτροστατικής Ενέργειας. Αντίθετα από το φυσικό αέριο, εντούτοις, το διαρρέον Υδρογόνο που αντιμετωπίζει μια πηγή ανάφλεξης είναι πολύ πιο πιθανό να καεί από το να εκραγεί, ακόμη και μέσα σε ένα κτίριο, επειδή καίγεται σε συγκεντρώσεις πολύ μικρότερες από το χαμηλότερο όριο έκρηξής του. Η ανάφλεξη απαιτεί επίσης τέσσερις (4) φορές υψηλότερη ελάχιστη συγκέντρωση Υδρογόνου από ότι του ατμού βενζίνης. Εν ολίγοις, στη μεγάλη πλειοψηφία των περιπτώσεων, το διαρρέον Υδρογόνο, εάν αναφθεί, θα καεί αλλά δε θα εκραγεί. Και στις σπάνιες περιπτώσεις όπου το Υδρογόνο εκρήγνυται, η θεωρητική εκρηκτική δύναμή του ανά μονάδα όγκου του αερίου είναι είκοσι δυο (22) φορές ασθενέστερη από αυτήν του ατμού βενζίνης. Δεν είναι, όπως έχει απαιτηθεί, «ουσιαστικά μια υγρή ή αεριώδης μορφή δυναμίτη». Παραδείγματος χάριν, το διαρρέον αέριο Υδρογόνου θα συσσωρευόταν κοντά στο ανώτατο όριο ενός αεροστεγούς γκαράζ, ενώ οι καπνοί ή το προπάνιο βενζίνης θα συσσωρεύονταν κοντά στο πάτωμα που είναι ένας μεγαλύτερος κίνδυνος για τους ανθρώπους επειδή είναι χαρακτηριστικά κοντά στο πάτωμα, όχι στη στέγη. Στεκούμενοι σε έναν τάπητα με πυρκαγιά είναι πολύ πιο επικίνδυνο από το να στεκόμαστε κάτω από μια σχεδόν μη - φωτεινή σαφή φλόγα που πηγαίνει προς τα πάνω. K3 3.3 ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΟ HINDENBURG Αυτές οι ιδιότητες ασφάλειας που ενισχύονται πραγματικά έσωσαν εξήντα δυο (62) ζωές στην καταστροφή του Hindenburg του Μια έρευνα από επιστήμονες της NASA διαπίστωσαν ότι η καταστροφή θα ήταν ουσιαστικά αμετάβλητη ακόμα κι αν το αερόστατο ανυψωνόταν όχι από το Υδρογόνο αλλά από μη - εύφλεκτο ήλιο και ότι πιθανώς κανένας στο κατάστρωμα δε σκοτώθηκε από μια 14

26 Επικινδυνότητα της χρήσης Υδρογόνου πυρκαγιά Υδρογόνου. (Δεν υπήρξε καμία έκρηξη). Το 35% των επιβατών σκοτώθηκε με το να πηδήξει έξω ή κάηκε από το πετρέλαιο ντίζελ, το θόλο και τα συντρίμμια (ο υφασμάτινος θόλος ντύθηκε με αυτό που σήμερα θα καλούνταν καύσιμα πυραύλων). Το άλλο 65% επέζησε, οδηγώντας το φλεγόμενο αερόστατο στη Γη όπως οι σαφείς φλόγες Υδρογόνου στροβιλίστηκαν ακίνδυνα από επάνω τους. Αυτό δε θα συνέβαινε εάν ένα αεροσκάφος με υγρούς υδρογονάνθρακες ως καύσιμο, έπιανε πυρκαγιά ενώ πετούσε υψηλά. Υπογραμμίζει ότι το Υδρογόνο είναι γενικά τουλάχιστον τόσο ασφαλές όσο και το φυσικά αέριο ή τα L.P.G. και είναι αμφισβητήσιμα εγγενώς ασφαλέστερο από τη βενζίνη, αν και ο χαρακτήρας των κινδύνων τους δεν είναι ίδιος. K3 Εικόνα 3.1 Εικόνα Αερόστατου με Υδρογόνο Hindenburg 15

27 3.4 ΑΝΤΙΚΡΟΥΟΜΕΝΕΣ ΑΠΟΨΕΙΣ Επικινδυνότητα της χρήσης Υδρογόνου K3 Οι παρατεταμένες αντιλήψεις ότι το Υδρογόνο είναι κατά ασυνήθιστο τρόπο επικίνδυνο, είναι πιθανό να σταματήσουν από τα είδη βιντεοσκοπημένων επιδείξεων που διατίθενται τώρα, όπως μια σύγκριση μιας πυρκαγιάς Υδρογόνου με μια πυρκαγιά βενζίνης. Καταρχάς, μια διαρροή Υδρογόνου δημιουργήθηκε, υποθέτοντας μια πολύ απίθανη τριπλή αποτυχία των περιττών προστατευτικών συσκευών (οι κανόνες Βιομηχανίας για τις συναρμολογήσεις ανίχνευσης και ασφάλειας διαρροών Υδρογόνου είναι πειστικά αποτελεσματικοί). Σχήμα 3.1 Μέτρα Ασφαλείας Εργοστασίου Παραγωγής Υδρογόνου Η δοκιμαστική διαρροή, που προκλήθηκε σκόπιμα στην υψηλότερη θέση πίεσης, απελευθέρωσε 1,54 kg Υδρογόνου από το αυτοκίνητο με κυψέλες καύσιμου σε περίπου εκατό (100) δευτερόλεπτα, αλλά το προκύπτον κάθετο πλούμιο φλογών αύξησε την εσωτερική θερμοκρασία του αυτοκινήτου κατά 1-2 F (0,6 1,1 C) και την εξωτερική θερμοκρασία του, πολύ κοντά στη φλόγα, όχι περισσότερο από τη θερμοκρασία που αποκτά ένα αυτοκίνητο που κάθεται στον Ήλιο. Ο χώρος των επιβατών ήταν αβλαβής. Αλλά έπειτα στη δεύτερη δοκιμή, 2,5 φορές μικρότερη 16

28 Επικινδυνότητα της χρήσης Υδρογόνου ενέργεια απελευθερώθηκε από μια οπή διαμέτρου 1,6 mm σε μια γραμμή καυσίμων βενζίνης κατέλαβε το εσωτερικό του αυτοκινήτου και θα είχε σκοτώσει όλους τους παγιδευμένους μέσα. Επειδή η δοκιμή διαρροής Υδρογόνου δεν έβλαψε το αυτοκίνητο και οι δύο δοκιμές διευθύνθηκαν διαδοχικά χρησιμοποιώντας το ίδιο αυτοκίνητο. Τέλος, φυσικά, δεν υπάρχει καμία σύνδεση μεταξύ του συνηθισμένου αερίου Υδρογόνου, του οποίου οι χημικές αντιδράσεις το καθιστούν χρήσιμο ως καύσιμο και των πρόσθετων ισοτόπων των οποία πυροδοτούν θερμοπυρηνικές βόμβες Υδρογόνου. Μια βόμβα Υδρογόνου δε μπορεί να κατασκευαστεί με το συνηθισμένο Υδρογόνο, ούτε μπορούν οι συνθήκες που πυροδοτούν πυρηνική τήξη ώθησης σε μια βόμβα Υδρογόνου να λάβουν χώρα σε ένα ατύχημα Υδρογόνου, επιτυγχάνονται με δυσκολία μόνο με τη χρήση μιας ατομικής βόμβας. K3 17

29 Επάρκεια υπάρχοντος δικτύου αγωγών για τη διανομή του Υδρογόνου K4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΕΠΑΡΚΕΙΑ ΥΠΑΡΧΟΝΤΟΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΓΩΓΩΝ ΓΙΑ ΤΗ ΔΙΑΝΟΜΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Εάν η απομακρυσμένη, συγκεντρωμένη παραγωγή Υδρογόνου τελικά αποδείχθηκε ανταγωνιστική ή απαραίτητη, οι υπάρχουσες σωληνώσεις μετάδοσης αερίου θα μπορούσαν γενικά να μετατραπούν στην υπηρεσία του Υδρογόνου. Εικόνα 4.1 Σωλήνες μικρού μήκους και διαμέτρου για μεταφορά Υδρογόνου Αυτό θα μπορούσε να γίνει με την προσθήκη σύνθετων πολυμερών στη σωλήνωση, παρόμοιων με εκείνα που χρησιμοποιούνται τώρα για να ανακαινίσουν τους παλαιούς σωλήνες ύδατος και υπονόμων, συν ένα επιμεταλλωμένο επίστρωμα 18

30 Επάρκεια υπάρχοντος δικτύου αγωγών για τη διανομή του Υδρογόνου που εμποδίζει το Υδρογόνο ή ένα δρομολογημένο μεταλλικό μέσο (ανάλογο με εκείνα που χρησιμοποιούνται σε σύνθετες δεξαμενές Υδρογόνου) και με τη μετατροπή των συμπιεστών. Τα εξωτερικά σύνθετα περικαλύμματα είναι επίσης διαθέσιμα εάν οι σωληνώσεις χρειάζονται ενίσχυση. K4 Εικόνα 4.2 Μονάδα αποθήκευσης Υδρογόνου 4.2 ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΩΛΗΝΩΣΕΩΝ Οι υπάρχουσες και χωρίς τροποποιήσεις σωληνώσεις θα μπορούσαν ακίνδυνα να μεταφέρουν ένα μίγμα Υδρογόνου και μεθανίου ( Hythane ), μέχρι ένα ορισμένο μέρος Υδρογόνου, για να «επεκτείνουν» το φυσικό τους αέριο. Οι χρήστες των κυψελών καυσίμου θα μπορούσαν ίσως να χωρίσουν έπειτα τα δύο αέρια με ειδικές μεμβράνες. [Η γιγαντιαία Gasunie του Ολλανδικού αερίου μελετά αυτές τις επιλογές με μια Ευρωπαϊκή κοινοπραξία εξήντα δυο (62) μελών]. Μερικές νεώτερες σωληνώσεις μπορούν ήδη να έχουν κράματα, βαλβίδες και σφραγίδες για την υπηρεσία Υδρογόνου. Άλλες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καταστήσουν όλες τις μελλοντικές σωληνώσεις κατάλληλες για Υδρογόνο, όπως η Ιαπωνία που σκοπεύει για τη σημαντική σωλήνωση αερίου μεταξύ Σιβηρίας Κίνας Ιαπωνίας. Αυτό δε θα 19

31 Επάρκεια υπάρχοντος δικτύου αγωγών για τη διανομή του Υδρογόνου κόστιζε πρόσθετα. Μεταλλουργικά ζητήματα με Υδρογόνο μπορούν γενικά να αποφευχθούν με τη χρήση κραμάτων χαμηλότερης περιεκτικότητας σε άνθρακα, μέτριες και αρκετά σταθερές πιέσεις και εξωτερικά σύνθετα περικαλύμματα εάν είναι απαραίτητο για αντοχή. Κανένα πρόσθετο ζήτημα ασφάλειας δεν αναμένεται στη μετατροπή των σωληνώσεων αερίου στην υπηρεσία του Υδρογόνου. Πράγματι, μια σωλήνωση ακατέργαστου λαδιού τριακοσίων σαράντα (340) χιλιομέτρων έχει μετατραπεί ήδη στην υπηρεσία του Υδρογόνου. Οι νέες μέθοδοι παραγωγής σωληνώσεως Υδρογόνου, μπορεί να αποδειχθούν ελκυστικές. K4 Εικόνα 4.3 Δεξαμενές αποθήκευσης Υδρογόνου στις Η.Π.Α. 20

32 Επάρκεια υπάρχοντος δικτύου αγωγών για τη διανομή του Υδρογόνου 4.3 ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΣΩΛΗΝΩΝ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ K4 Όσον αφορά στους σωλήνες διανομής φυσικού αερίου, πολλά παλαιότερα συστήματα είναι ήδη κατά ένα μεγάλο μέρος ή πλήρως, συμβατό με το σύστημα Υδρογόνου, επειδή κατασκευάστηκαν αρχικά για το «αέριο κωμοπόλεων» (το συνθετικό αέριο από άνθρακα περιέχει Υδρογόνο περίπου 50-60% κατά όγκο) που διοχετεύθηκε με σωλήνες στα σπίτια σε πολλές από τις μεγάλες πόλεις Παγκοσμίως και είναι ακόμα σε μέρη της Κίνας και της Νότιας Αφρικής. Εντούτοις, οι καυστήρες, οι μετρητές και άλλα δευτερεύοντα στοιχεία θα μπορούσαν να απαιτηθεί να τοποθετηθούν με αναδρομική Τεχνολογία. Οι συσκευές καύσης, αντίθετα από τις κυψέλες καυσίμων, μπορούν να μη λειτουργήσουν αποτελεσματικότερα με το Υδρογόνο από ότι με το φυσικό αέριο, έτσι μπορούν να παραδώσουν λιγότερη υπηρεσία ανά μονάδα ροής. Αυτό υπογραμμίζει τη σημασία της χρήσης Υδρογόνου όπου προσφέρει ένα συγκριτικό πλεονέκτημα όπως τα οικονομικά θα υπαγόρευαν επίσης. Εικόνα 4.4 Σωληνώσεις Υδρογόνου στη Νέα Ζηλανδία 21

33 22 Χρήση Αερίου Υδρογόνου στην κίνηση οχημάτων K5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΧΡΗΣΗ ΑΕΡΙΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΟΧΗΜΑΤΩΝ 5.1 ΓΕΝΙΚΑ Η κίνηση των τροχών με ηλεκτρικές μηχανές έχει τα γνωστά πλεονεκτήματα της ροπής, της τραχύτητας, της αξιοπιστίας, της απλότητας, του έλεγχου, της ησυχίας και του χαμηλότερου κόστους. Οι βαριές και δαπανηρές μπαταρίες έχουν περιορίσει τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα σε θέσεις μικρών αγορών, αν και οι μικροσκοπικές μπαταρίες λιθίου που χρησιμοποιούνται τώρα στα κινητά τηλέφωνα είναι πολλαπλές φορές καλύτερες από τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Αλλά η αρχική εστίαση της California Regulators στα αυτοκίνητα μπαταριών είχε μια τεράστια κοινωνική αξία επειδή προώθησε πολύ τα ηλεκτρικά συστήματα οδήγησης. 5.2 ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Η μόνη ερώτηση είναι από που να αποκτηθεί η ηλεκτρική Ενέργεια. Τα υβριδικά - ηλεκτρικά αυτοκίνητα διατίθενται τώρα στην αγορά από τη Honda και την Toyota και σύντομα από όλες τις αυτοκινητοβιομηχανίες, παράγουν ηλεκτρική Ενέργεια με τις μηχανές γεννήτριες που μεταφέρουν ή την ανακτούν από το φρενάρισμα. Αυτά τα υβριδικά - ηλεκτρικά σχέδια παρέχουν όλα τα πλεονεκτήματα της ηλεκτρικής προώθησης χωρίς τα μειονεκτήματα των μπαταριών. Ακόμα καλύτερα θα είναι οι κυψέλες καυσίμων, ο περισσότερο αποδοτικός (περίπου 50 με 70% του Υδρογόνου σε απευθείας ηλεκτρική Ενέργεια), καθαρός και ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ &ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

34 23 Χρήση Αερίου Υδρογόνου στην κίνηση οχημάτων αξιόπιστος γνωστός τρόπος για την παραγωγή ηλεκτρικής Ενέργειας από καύσιμα. Σχεδόν όλες οι σημαντικές αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν τώρα σημαντικά προγράμματα ανάπτυξης αυτοκινήτων με βάση τις κυψέλες καυσίμου. K5 Εικόνα 5.1 Αυτοκίνητο της Honda με Υδρογόνο Εικόνα 5.2 Αυτοκίνητο της Toyota με βάση το Υδρογόνο (αναμένεται το 2010) ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ &ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

35 24 Χρήση Αερίου Υδρογόνου στην κίνηση οχημάτων Τα κύτταρα καυσίμων αντιστρέφουν τη διαδικασία με χημικά ώστε να επανασυνδέσουν το Υδρογόνο και το οξυγόνο σε μια πρόσθετη μεμβράνη, σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο C (πολύ υψηλότερη θερμοκρασία σε μερικούς τύπους). Αυτή η ηλεκτροχημική αντίδραση, χωρίς καύση, παράγει ηλεκτρική Ενέργεια, καυτό νερό κατάλληλο για μια μηχανή καφέ στο ταμπλό, θερμότητα υποπροϊόντων κατάλληλη για το όχημα και τίποτα άλλο. Στην προηγούμενη δεκαετία, οι σημαντικές ανακαλύψεις στα υλικά και η εφαρμοσμένη μηχανική κατασκευής έχουν μειώσει την ανάγκη για τους καταλύτες πολύτιμων μετάλλων (ειδικά κατά τη χρησιμοποίηση του καθαρού Υδρογόνου) περισσότερες από είκοσι (20) φορές, έχουν αυξήσει την πυκνότητα ισχύος και έχουν κόψει το κόστος του πιο κοινού τύπου κυττάρου καυσίμων περίπου δέκα (10) φορές. Οι συνεχόμενοι πρόοδοι στις κυψέλες καυσίμου και στα άλλα συστατικά στο σύστημα των κυψέλων καύσιμου το καθιστούν τώρα ρεαλιστικό να αναμένουμε τα κύτταρα καυσίμων να αρχίσουν να ανταγωνίζονται την ηλεκτρική Ενέργεια. Στα επόμενα χρόνια, οι ανθεκτικότερες μεμβράνες και τα κατασκευάσιμα σχέδια αναμένονται ευρέως να επιτρέψουν τη γρήγορα και εκτεταμένη μαζική παραγωγή των κυψέλων καυσίμου για τα οχήματα και για τα κτίρια. Μόλις εμφανιστούν εκείνες οι καινοτομίες, κατόπιν όπως για τα περισσότερα άλλα κατασκευασμένα αγαθά, το πραγματικό κόστος πρέπει να μειωθεί κατά 20 με 30% για κάθε διπλασιασμό της συσσωρευτικής παραγωγής μέχρι να περιοριστεί από το κόστος των βασικών υλικών. Στις πολύ υψηλές ποσότητες, το προβαλλόμενο κόστος παραγωγής ενός σωρού καύσιμο-κυττάρων χαμηλής θερμοκρασίας μπορεί τελικά να φθάσει σε παραγγελία /kw όχι μακριά από το κόστος 14 /kw των εσωτερικών μηχανών εξοπλισμένων με γεννήτρια, οι οποίες έχουν καθαριστεί παραπάνω από έναν αιώνα και παράγουν τεράστιους όγκους. Η ενσωματωμένη στρατηγική μετάβασης του RMI είναι αδιάφορη εάν τα κύτταρα καυσίμων γίνονται αρχικά ανθεκτικά όπως χρειάζονται τα κτίρια ή φτηνά όπως χρειάζονται τα οχήματα: εάν γίνουνε ανθεκτικά πρώτα, αρκετά μπορούν να γίνουν για τα κτίρια που χρησιμοποιούν ηλεκτρική Ενέργεια τα δύο τρίτα των Η.Π.Α. για να τους καταστήσουν αρκετά φτηνούς για τα οχήματα, ενώ εάν γίνονται αρχικά αρκετά φτηνά για τα οχήματα, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν στα κτίρια και να ανακαινιστούν ή να αντικατασταθούν όπως απαιτούνται. Με οποιονδήποτε τρόπο, κάθε αγορά επιταχύνει την άλλη με την οικοδόμηση του όγκου παραγωγής, την κοπή K5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ &ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

36 25 Χρήση Αερίου Υδρογόνου στην κίνηση οχημάτων του κόστους και τη δημιουργία των κερδοφόρων συνδέσμων. Η δοκιμή κυψελών καυσίμου για τα οχήματα είναι καλά προηγμένη. Από τα μέσα του 2003, οι κατασκευαστές έχουν δεκάδες λεωφορείων κυψελών καυσίμου και πάνω από εκατό αυτοκίνητα κυψελών καυσίμου στο δρόμο. Πολλά είδη στρατιωτικών οχημάτων ξηράς και θάλασσας δοκιμάζουν τις κυψέλες καυσίμου, που χρησιμοποιούνται από παλιά στα υποβρύχια. Έτσι είναι μερικά βαριά φορτηγά, τα οποία ξοδεύουν μέχρι μισό χρόνο διάρκειας ζωής των μηχανών τους υπολειτουργώντας, επειδή δεν έχουν καμία μονάδα βοηθητικής ισχύος (ο αντίστοιχος αριθμός για τις δεξαμενές Abrams υπερβαίνει το 60 με 80%). Πολλές εφαρμογές ακολουθούνται για τα μηχανικά δίκυκλα, τα ψυχαγωγικά μέσα, τις βάρκες και ακόμη και τα μεγάλα σκάφη. Όλες αυτές οι εξελίξεις θα μάθουν η μια από την άλλη. Συλλογικά θα αυξήσουν τον όγκο παραγωγής κυψελών καυσίμου και ως εκ τούτου θα μειώσουν το κόστος. Ένας διευθυντής της Deutsche Shell πρόβλεψε το 2000 ότι τα μισά από όλα τα νέα αυτοκίνητα και ένα πέμπτο του στόλου αυτοκινήτων θα χρησιμοποιούν Υδρογόνο μέχρι το 2010, ενώ η πρόβλεψη Γερμανών Υπουργών μεταφορών είναι για το 10% των νέων Γερμανικών αυτοκινήτων. Μερικές αυτοκινητοβιομηχανίες στο παρελθόν υπέθεσαν ότι πρέπει να εξάγουν το Υδρογόνο από τη βενζίνη (ή τη μεθανόλη) στα αυτοκίνητα, χρησιμοποιώντας φορητούς μεταρρυθμιστές, ή για καθέναν ή και για τους δυο λόγους: Οι δεξαμενές με συμπιεσμένο Υδρογόνο θα ήταν πάρα πολύ ογκώδεις, επειδή το Υδρογόνο έχει περίπου δέκα (10) φορές λιγότερη Ενέργεια ανά μονάδα όγκου από τα υγρά καύσιμα. Θα ήταν πάρα πολύ δύσκολο, αργό ή δαπανηρό να αντικατασταθεί η σημερινή υποδομή τροφοδοσίας της βενζίνης από μια νέα υποδομή Υδρογόνου. Επιπλέον, υπάρχει ένα προφανές πρόβλημα το οποίο είναι ότι δεν θα θέλατε να χτίσετε ένα σταθμό πλήρωσης χωρίς τα αυτοκίνητα για να αγοράσουν το Υδρογόνο του, ούτε να αγοράσετε ένα αυτοκίνητο Υδρογόνου και να μη μπορείτε να το ανεφοδιάσετε με καύσιμα. Παρόμοια επιχειρήματα ισχύουν για τη μεθανόλη. Αυτό το πλούσιο σε Υδρογόνο υγρό, που γίνεται χαρακτηριστικά από το φυσικό αέριο, είναι ευκολότερο να διανεμηθεί, να αποκατασταθεί και να μετασχηματιστεί από ότι η βενζίνη και μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα σε μερικά είδη κυψέλων καυσίμου που θα μπορούσαν να είναι ελκυστικές για τις οικιακές συσκευές και τα εργαλεία ή για φορητή ηλεκτρονική K5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ &ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

37 26 Χρήση Αερίου Υδρογόνου στην κίνηση οχημάτων όπως τους υπολογιστές, τα κινητά τηλέφωνα, τις ενισχύσεις ακρόασης ή το μεμονωμένο στρατιωτικό εξοπλισμό. Εντούτοις, η μεθανόλη είναι λιγότερο ελκυστική από το άμεσο Υδρογόνο ως τροχαία καύσιμα, επειδή έχει έναν υψηλότερο σε κόστος κύκλο ζωής, υψηλότερες απελευθερώσεις άνθρακα και την ιδιαίτερη τοξικότητα (η μεθανόλη βρίσκεται σε 2 με 7% σε ένα λίτρο νερού, με το οποίο αναμιγνύεται εύκολα, είναι πάρα πολύ μικρή για να δοκιμαστεί, αλλά είναι θανατηφόρα εάν καταπίνεται). K5 Σχήμα 5.1 Διάταξη μορίων μεθυλο τριτο - βουτυλικού αιθέρα (MTBE) C 5 H 12 O Η Βιομηχανία μεταφορών αντιμετωπίζει ήδη βαριές δαπάνες από την επένδυση για να μεταπηδήσει μακριά από τη λιγότερο τοξική βενζίνη οξυγονώνει πρόσθετο MTBE (μεθυλο τριτο - βουτυλικός αιθέρα), για να βρει μόνο ότι είναι απαγορευμένο (αφότου διέρρευσε από υπόγειες δεξαμενές αποθήκευσης σε υπόγεια νερά). Αυτή η δυστυχής εμπειρία καθιστά τη Βιομηχανία δικαιολογημένα προσεκτική με το θέμα της μεθανόλης και διάφορες σημαντικές επιχειρήσεις πετρελαίου έχουν καταστήσει σαφές ότι απορρίπτουν την επέκταση μεθανόλης. Εκτός από τα είδη των προαναφερθεισών πρόσθετων χρήσεων ή τις χώρες με φτωχή ή πολύ δαπανηρή διανομή φυσικού αερίου, είναι επίσης ασαφές γιατί κάποιος θα επιθυμούσε να ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ &ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

38 27 Χρήση Αερίου Υδρογόνου στην κίνηση οχημάτων μετατρέψει το φυσικό αέριο σε μεθανόλη, να το μεταφέρει σε μια άλλη περιοχή και να το μετασχηματίσει εκεί σε Υδρογόνο, παρά απλά να μεταφέρει το φυσικό αέριο στο υπάρχον δίκτυο αερίου στο σημείο της χρήσης Υδρογόνου και να το ανασχηματίζει εκεί. Στις χώρες με αέριο, πολλά άλλα υγρά αέρια πετροχημικής Βιομηχανίας, όπως τα μέσα και βαριά έλαια, ο διμεθυλικός αιθέρας, το L.P.G. και τα φυτικά έλαια, θα ανταγωνιστούν επίσης με τη μεθανόλη ως διανεμημένα αέρια πετροχημικής Βιομηχανίας μεταρρυθμιστών. K5 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ &ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

39 Αποθήκευση του Υδρογόνου σε οχήματα Κ6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΕ ΟΧΗΜΑΤΑ 6.1 ΓΕΝΙΚΑ Αυτό το πρόβλημα λύθηκε αρκετά έτη πριν. Τέτοιες Εταιρίες όπως η Quantum και η Dynetek πωλούν τώρα τις ίνες από άνθρακα και τον τοποθετούν σε ευθυγραμμισμένη δεξαμενή με μια επαργυρωμένη κύστη πολυεστέρα αντί του παραδοσιακού στερεού μέταλλου. (Μειώνοντας το βάρος στο μισό, τα υλικά κοστίζουν περίπου το ένα τρίτο). Τέτοιες δεξαμενές άνθρακα έχουν από εννέα (9) μέχρι δεκατρείς (13) φορές καλύτερη απόδοση από μια αλουμινένια ή ατσάλινη δεξαμενή, που δε μπορούν να διαβρωθούν και είναι εξαιρετικά τραχείς και ασφαλείς, αβλαβής από τις συντριβές που ισοπεδώνουν τα αυτοκίνητα από χάλυβα και κομματιάζουν τις δεξαμενές βενζίνης. 6.2 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ Το αυτοκίνητο δε λειτουργεί με ιδιαίτερα ψηλή πίεση στους σωλήνες Υδρογόνου, επειδή το Υδρογόνο τοποθετείται στη δεξαμενή του οχήματος σε χαμηλή πίεση πριν βγει από τη δεξαμενή αποθήκευσης. Τέτοιου αεροδιαστημικού ύφους δεξαμενές που κρατούν υψηλή πίεση μέχρι 700 bars (περίπου PSI) και αποδεδειγμένα πάνω από 1655 bars (περίπου PSI) έχει εξεταστεί από τη GM και από άλλες Εταιρίες στα αυτοκίνητα κυψελών καυσίμου και εγκρίνονται για κατασκευή νόμιμα στη Γερμανία. Τέτοιες δεξαμενές από ίνα άνθρακα θα μπορούσαν να παραχθούν μαζικά με κόστος μόνο λίγες εκατοντάδες δολάρια προς παρόν οι Η.Π.Α. βελτίωσαν τον 28

40 Αποθήκευση του Υδρογόνου σε οχήματα παράγοντα ασφάλειας στο 2,25 και μπορούν να διατηρήσουν περίπου 11 εως 12% Υδρογόνο κατά μάζα. Μια δεξαμενή Υδρογόνου πίεσης τριακοσίων πενήντα (350) bar (2,7 MJ/L σε LHV και 300 Κ) είναι σχεδόν δέκα φορές μεγαλύτερη από μια δεξαμενή βενζίνης με το ίδιο ενεργειακό περιεχόμενο. Κ6 Εικόνα 6.1 Δεξαμενή Αποθήκευσης Υδρογόνου Σχήμα 6.1 Τρισδιάστατη απεικόνιση Ανεφοδιασμού Οχήματος με Υδρογόνο 29

41 Αποθήκευση του Υδρογόνου σε οχήματα Εντούτοις, το πλεονέκτημα αποδοτικότητας δυο (2) με τρεις (3) φορές παραπάνω της κυψέλης καυσίμου, δηλ. λιγότερη Ενέργεια που χρησιμοποιείται ανά μίλι, έναντι μιας μηχανής με βενζίνη, μειώνει αυτήν τη διεύρυνση σε τρείς κόμμα δυο (3,2) με τέσσερις κόμμα οκτώ (4,8) φορές, ακόμα λιγότερο όταν περιλαμβάνεται το μέγεθος και το βάρος άλλων μερών του αυτοκινήτου που δεν απαιτούνται πλέον, όπως ο καταλυτικός μετατροπέας. Κ6 Εικόνα 6.2 Σταθμός Ανεφοδιασμού Οχημάτων με Υδρογόνο Εκείνος ο παράγοντας συρρικνώνεται επιπλέον κάνοντας τη δεξαμενή Υδρογόνου μεγαλύτερη από μια δεξαμενή βενζίνης στα σημερινά αυτοκίνητα, αλλά πολύ ελαφρύτερη όταν τα αυτοκίνητα σχεδιάζονται για να χρησιμοποιήσουν κατά δύο τρίτα λιγότερη ισχύ για την κίνηση τους, ως εκ τούτου δύο τρίτα λιγότερο αποθηκευμένο Υδρογόνο για την ίδιο εύρος οδήγησης. Αυτό απαιτεί αυτοκίνητα με πολύ χαμηλότερη αεροδυναμική έλξη, αντίσταση κύλισης(ενεργειακές απώλειες στη θέρμανση των ροδών και του δρόμου) και ειδικότερα βάρος. Το βάρος τους μπορεί να υποδιπλασιαστεί, όμως μπορούν να διατηρήσουν την ανώτερη ασφάλεια συντριβής ακόμα και χτυπώντας ένα αυτοκίνητο βαριών μετάλλων, με την παραγωγή τους από τις συνθετικά ινών άνθρακα. Αυτά τα 30

42 Αποθήκευση του Υδρογόνου σε οχήματα διαστημικής - προέλευσης υλικά μπορούν να απορροφήσουν μέχρι πέντε (5) φορές περισσότερη Ενέργεια συντριβής ανά λίβρα (lb) από ό, τι ο χάλυβας και μπορούν να συντριβούν πιο ομαλά, χρησιμοποιώντας το μήκος συντριβής μέχρι δύο φορές αποτελεσματικότερα. Κ6 Εικόνα 6.3 Δεξαμενή Αποθήκευσης Υδρογόνου στο πορτ - μπαγκάζ 31

43 Κόστος Χρήσης του Υδρογόνου σε σχέση με τη Βενζίνη K7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΚΟΣΤΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΗ ΒΕΝΖΙΝΗ 7.1 ΓΕΝΙΚΑ Οι μικροσκοπικοί μεταρρυθμιστές (μεγαλύτεροι από ένα σπίτι αλλά πολύ πιο μικροί από ένα εργοστάσιο) δημιουργήθηκαν σε εκατοντάδες μονάδες, που κάθε μια υποστηρίζει μερικές εκατοντάδες οχήματα κυψελών καυσίμου και που χρησιμοποιεί φυσικό αέριο (που διατιμήθηκε σε 4/GJ ή ένα 4,20/MBTU), θα μπορούσαν να παραδώσουν το Υδρογόνο στα αυτοκίνητα με 1,75/kg με 2,65/GJ ( 2,8/MBTU) το φυσικό αέριο, σε περίπου 1,5/kg. 7.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΟΣΤΟΥΣ Όλος ο εξοπλισμός υποτίθεται ότι δίνει κέρδος μια πραγματική επιστροφή μετά τη φορολόγηση 10%/y). Για τη σύγκριση, στο κόστος ανά χιλιόμετρο για τα μάλλον συμβατικά αυτοκίνητα είναι ονομαστικά δυο κόμμα δυο (2,2) φορές παραπάνω αποδοτικότερα τα αυτοκίνητα με κυψέλη καύσιμου από τα αυτοκίνητα με βενζίνη. Οι Η.Π.Α. δεν φορολόγησαν την χονδρική τιμή βενζίνης σε 0,63/ U.S gallon ή 0,17το λίτρο που είναι ισοδύναμο με 1,4/kg Υδρογόνου. Στις Η.Π.Α. φορολόγησαν τη λιανική βενζίνη σε 0,94/U.S gallon (ή 0,36/lt), σε 1,48/kg Υδρογόνο. Στις Η.Π.Α. η λιανική βενζίνη είναι φτηνότερη από το εμφιαλωμένο μπουκάλι νερού γεγονός το οποίο εξηγεί γιατί πολλοί σταθμοί ανεφοδιασμού των Η.Π.Α. βγάζουν περισσότερα χρήματα πουλώντας αναψυκτικά παρά από βενζίνη. Δημιουργώντας περισσότερους μεταρρυθμιστές θα έκοβε τις περαιτέρω δαπάνες. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ&ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ 32

44 Κόστος Χρήσης του Υδρογόνου σε σχέση με τη Βενζίνη K7 Εικόνα 7.1 Σατυρική Απεικόνιση ακρίβειας της Βενζίνης Οι σχετικές τιμές διαφέρουν σε άλλες χώρες. Η Ευρώπη και η Ιαπωνία, παραδείγματος χάριν, πληρώνουν περισσότερα για το φυσικό αέριο αλλά τείνουν επίσης να καταβάλουν ακόμα υψηλότερες τιμές βενζίνης, συχνά ισοδύναμες με 5,6/kg Υδρογόνου ή περισσότερο, έτσι οι μικροσκοπικοί μεταρρυθμιστές πρέπει να διατηρήσουν το πλεονέκτημά τους στο εξωτερικό. Εκείνο το πλεονέκτημα προέρχεται κατά ένα μεγάλο μέρος από την αποφυγή του κόστους της παράδοσης Υδρογόνου, επειδή οι μικροσκοπικοί μεταρρυθμιστές χρησιμοποιούν το σύστημα διανομής φυσικού αερίου που έχει δημιουργηθεί ήδη. Το διαχωριζοντας το νερό με ηλεκτρική ενέργεια σπάνια μπορεί να κάνει φτηνότερο το Υδρογόνο από ό,τι ανασχηματίζοντας το φυσικό αέριο, εκτός αν η ηλεκτρική ενέργεια επιχορηγείται βαριά, αγορασμένη σε πολύ χαμηλές εκτός των ωρών αιχμής τιμές (συνήθως πολύ κάτω από 2 /kwh), ή σε πολύ μικρή κλίμακας (μια γειτονιά με μερικές ντουζίνες αυτοκίνητα). Γι αυτό μόνο λίγο τοις εκατό του Παγκόσμιου Υδρογόνου παρασκευάζεται τώρα ηλεκτρολυτικά, τροφοδοτημένο κυρίως από παλιά υδροηλεκτρικά φράγματα. Εντούτοις, η μικρής κλίμακας συσκευές ηλεκτρόλυσης, που μπαίνουν τώρα στην αγορά για επίδειξη και χρήση από απόσταση, αποφεύγουν το κόστος της ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ&ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ 33

45 Κόστος Χρήσης του Υδρογόνου σε σχέση με τη Βενζίνη διανομής Υδρογόνου από τις μακρινές κεντρικές εγκαταστάσεις και σε μερικές περιστάσεις μπορούν να ανταγωνιστούν με τους αποκεντρωμένους μεταρρυθμιστές αερίου που προσφέρουν το ίδιο πλεονέκτημα. Συγκεκριμένα, οι μαζικά παραγόμενοι, περίπου ένα εκατομμύριο μονάδες, μικροσκοπικοί ηλεκτρολύτες (κάθε ένας εξυπηρετεί μερικές ντουζίνες αυτοκίνητα), θα μπορούσαν να παράγουν Υδρογόνο ανταγωνιστικό με τις φορολογίες της βενζίνης των Η.Π.Α., χρησιμοποιώντας ακόμη και την εκτός των ωρών αιχμής ηλεκτρική ενέργεια 3 /kwh. Έτσι η κλίμακα οικογένειας - γειτονιάς θα μπορούσε να γίνει μια επιτυχής αγορά θέσεων ηλεκτρόλυσης εάν γινόταν αρκετές μονάδες. Ακόμη, τέτοιες μονάδες αν και χρησιμοποιούν ηλεκτρική Ενέργεια από ορυκτά καύσιμα γεγονός που μπορούσε να αυξήσει τη καθαρή εκπομπή άνθρακα ανά αυτοκίνητο (εξαρτώμενο από το καύσιμο και αποδοτικότητα των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής), θα ήταν μικρή και αρκετά προσωρινή να δημιουργήσει μικρό ηλεκτρικό φορτίο ή την κλιματική ανησυχία προτού να μεταπηδήσει η πηγή ηλεκτρικής Ενέργειάς τους σε ανανεώσιμες ενεργειακές τεχνολογίες. K7 7.3 ΠΟΣΟΣΤΟ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΗΣ ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΚΟΣΤΟΣ Το Υδρογόνο θα πρέπει να είναι αρκετά καθαρό για τις κυψέλες καυσίμων και το κόστος του υπολογίζεται σε περίπου 10,6-15,6/kg. Μερικοί αναλυτές δηλώνουν (όπως το σχέδιο προγράμματος Υδρογόνου τμήματος Ενέργειας): ότι οι «κυψέλες Υδρογόνου απαιτούν το Υδρογόνο να είναι 99,999% καθαρό, το οποίο κοστίζει σήμερα περίπου 10,5 έως 15,4/kg» με βάση ένα υποτιθέμενο κόστος περίπου 314,597/60 kg/d μεταρρυθμιστή [αρκετά για περίπου δώδεκα (12) ανεπαρκή αυτοκίνητα]. Εντούτοις, στα μέσα του 2003, το Τμήμα της Ενέργειας της Αμερικής (DOE) σύνταξε ένα νέο και ρεαλιστικό στόχο για το Υδρογόνο στο 1,04/kg στα αυτοκίνητα μέχρι το Αυτή η δραματική μείωση οφείλεται εν μέρει στη διαπίστωση ότι δεν είναι απαραίτητη η υπερβολικά μεγάλη καθαρότητα, ακόμα κι αν οι τεχνολογικοί καινοτόμοι υποβάλλουν έκθεση με όλο και περισσότερο ενθαρρυντικά αποτελέσματα με στερεές μεμβράνες (όπως τα κράματα παλλάδιου - ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ&ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ 34

46 Κόστος Χρήσης του Υδρογόνου σε σχέση με τη Βενζίνη χαλκού) που μπορούν να παράγουν Υδρογόνο πέντε (5) με εννέα (9) φορές παραπάνω με αποδεκτό κόστος. K7 Εικόνα 7.2 Απεικόνιση ενός σημερινού σταθμού Ανεφοδιασμού βενζίνης Ένας μεταρρυθμιστής 112 kg/d από την Εταιρία H2Gen, που εξυπηρετεί είκοσι (20) ποικίλα οχήματα κυψελών καυσίμου ανά ημέρα με το τέλεια επαρκές καθαρό Υδρογόνο 99,99% σε πίεση 476 bar, αναμένεται σε μέτριους όγκους παραγωγής για να ανταγωνιστεί με τη χονδρική πώληση βενζίνης, δηλ., στο ένα δέκατο τιμών Υδρογόνου κατά προσέγγιση του αρχικού στόχου του Τμήματος Ενέργειας των Η.Π.Α. Μερικές επιτακτικές πηγές θεωρούν την καθαρότητα 99,9% επαρκή για τα χαρακτηριστικά των αυτοκινήτων κυψελών καυσίμου. Οι Ιαπωνικές αυτοκινητοβιομηχανίες σχεδιάζουν στα Εθνικά Βιομηχανικά πρότυπά τους καθαρότητα του Υδρογόνου μόνο περίπου 98,5%. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗΣ ΘΕΟΔΩΡΑΚΗΣ&ΣΙΜΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ 35

47 Παραγωγή Υδρογόνου από Ορυκτά Καύσιμα ή από Πυρηνική Ενέργεια ή από Α.Π.Ε. K8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΟΡΥΚΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Ή ΑΠΟ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ή ΑΠΟ Α.Π.Ε. 8.1 ΓΕΝΙΚΑ Δεδομένου ότι οι ανανεώσιμες ενέργειες αυτήν την περίοδο είναι πάρα πολύ δαπανηρές, το Υδρογόνο θα έπρεπε να παραχθεί από ορυκτά καύσιμα ή από πυρηνική Ενέργεια. Το Υδρογόνο πράγματι μπορεί να παραχθεί στο κοντινό μέλλον, στη μορφή που είναι τώρα, κυρίως από το φυσικό αέριο (ιδιαίτερα στη Βόρεια Αμερική), αλλά όταν χρησιμοποιείται το Υδρογόνο στις κυψέλες καυσίμων, οι συνολικές εκπομπές άνθρακα ανά μίλι θα μειωνόταν περίπου στο μισό χρησιμοποιώντας συνηθισμένα αυτοκίνητα ή κατά περίπου 80% χρησιμοποιώντας οχήματα. Είναι πολύ καλύτερο από τις πιθανές μειώσεις άνθρακα χωρίς Υδρογόνο και είναι ένα υγιές προσωρινό βήμα ενώ οι τρόποι να παραχθεί Υδρογόνο χωρίς εκπομπές άνθρακα επεκτείνονται. Οι τιμές φυσικού αερίου θα έπρεπε να αυξηθούν αστρονομικά πριν από την ηλεκτρική Ενέργεια που διατιμήθηκε με τις τρέχουσες δαπάνες των υπαρχουσών εγκαταστάσεων πυρηνικής Ενέργειας, συν την ηλεκτρική Ενέργεια ή οι δαπάνες παράδοσης Υδρογόνου, θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν με τους μεταρρυθμιστές αερίου που εγκαταστάθηκαν σε ή κοντά στους σταθμούς πλήρωσης. Εάν αυτό γίνει, θα είναι μια εποικοδομητική αλλά προσωρινή χρήση για τις πυρηνικές εγκαταστάσεις εφόσον επιτρέπονται και οικονομικά να λειτουργήσει. (Θα είναι μέχρι το επόμενο μεγάλο ατύχημα ή το γεγονός δολιοφθοράς ή οι επισκευές να γίνουν 36