Το Αυτοκίνητο του Μέλλοντος κινούµενο µε Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.)

Transcript

1 Το Αυτοκίνητο του Μέλλοντος κινούµενο µε Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) Νικόλαος Ρωµανός Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Χηµικών Μηχανικών firebird7gr@yahoo.co.uk Περίληψη - Σκοπός της εισήγησης είναι να παρουσιάσει εκείνες τις τεχνολογίες που φαίνεται ότι θα παίξουν πολύ σηµαντικό ρόλο στα µέσα µεταφοράς τα επόµενα χρόνια εστιάζοντας στα πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας των στοιχείων καυσίµου (ή κελιών καυσίµου ή κυψελών καυσίµου). Καταρχάς παρουσιάζονται κάποια στατιστικά στοιχεία για τη ρύπανση του περιβάλλοντος και τα αποθέµατα πετρελαίου (σχετιζόµενα µε τη χρήση των µέσων µεταφοράς στην Ευρωπαϊκή Ένωση και την Ελλάδα), που καταδεικνύουν ως βέλτιστη λύση για την αειφόρο ανάπτυξη τις Α.Π.Ε.. Λόγω της ιδιαίτερης προσοχής που απολαµβάνουν οι τεχνολογίες υδρογόνου, αναφέρονται οι µέθοδοι παραγωγής του δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στον οικονοµικό παράγοντα. Επιπροσθέτως παρουσιάζονται τα πλεονεκτήµατα του υδρογόνου έναντι άλλων καυσίµων. Εν συνεχεία παρουσιάζονται οι τεχνολογίες των στοιχείων καυσίµου δίνοντας ιδιαίτερη προσοχή στα στοιχεία καυσίµου τύπου ΡΕΜ, που φαίνεται ότι θα επικρατήσουν τουλάχιστον όσον αφορά στα µέσα µεταφοράς, σύµφωνα µε τα στοιχεία που προκύπτουν από την έρευνα που διεξάγουν οι ανά τον κόσµο αυτοκινητοβιοµηχανίες. Επίσης γίνεται µια σύγκριση µεταξύ των τεχνολογιών αυτών και των ήδη υφιστάµενων στα µέσα µεταφοράς. Πιο συγκεκριµένα λαµβάνει χώρα θερµοδυναµική ανάλυση µεταξύ των στοιχείων καυσίµου και των µηχανών εσωτερικής καύσης, µε τελικό αποτέλεσµα τη διεξαγωγή συµπερασµάτων για την απόδοση των τεχνολογιών αυτών, όχι περιοριζόµενη µόνο στο σύστηµα που λέγεται αυτοκίνητο (tank-to-wheel efficiency), αλλά και από την παραγωγή του καυσίµου µέχρι την τελική κατανάλωσή του (well-to-wheel efficiency). Για την επιτυχή µετάβαση σε οχήµατα που θα κινούνται µε υδρογόνο, καθοριστικό ρόλο θα παίξουν οι τεχνολογίες που σχετίζονται µε την αποθήκευσή του στα οχήµατα. Αναλύονται οι πιο σηµαντικές από αυτές, εστιάζοντας ιδιαίτερα στην τεχνολογία των νανοδοµών νανοσωλήνων άνθρακα. Τέλος παρουσιάζονται κάποια οικονοµικά δεδοµένα για το κόστος ενός οχήµατος και δη επιβατηγού, που θα βασίζεται στην τεχνολογία των στοιχείων καυσίµου, ενώ επίσης δίνονται στοιχεία για την κατάσταση που υπάρχει στη χώρα µας. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Το 1885 ο Γερµανός µηχανικός Gottlieb Daimler τοποθέτησε έναν τετράχρονο κινητήρα σε ένα ξύλινο κιβώτιο και το προσάρµοσε πάνω σε ένα ποδήλατο, δηµιουργώντας έτσι την πρώτη «µοτοσικλέτα», όρος που επικράτησε έκτοτε για τα µηχανοκίνητα δίτροχα. Ο Karl Benz δηµιούργησε το 1886 ένα τρίκυκλο που έµεινε στην ως το πρώτο αυτοκίνητο όχηµα, ενώ ο Daimler πήγε λίγους µήνες αργότερα ένα βήµα παραπέρα και κατασκεύασε το πρώτο τετράτροχο όχηµα. Χρειάστηκαν οκτώ χρόνια για να µπει στην παραγωγή ένα τετράτροχο αυτοκίνητο. Η δόξα ανήκει στην Benz Velo του 1894, µε την οποία αρχίζει και τυπικά η ιστορία του αυτοκινήτου. Από τότε µέχρι σήµερα πολλές τεχνολογικές καινοτοµίες έχουν εφαρµοστεί µε αποτέλεσµα να έχει αλλάξει σηµαντικά η εικόνα του αγαθού το οποίο λέγεται αυτοκίνητο, το οποίο όντας γνήσιο επίτευγµα της ανθρώπινης επινόησης, κινήθηκε σε όλη την κλίµακα της εξαίρετης δηµιουργικότητας, της λαµπρής ιδέας, της ξεχωριστής επινόησης και φυσικά δεν µπόρεσε να ξεφύγει από την επιπολαιότητα, την αλόγιστη εµπορευµατοποίηση και την πλήρη αδιαφορία για το περιβάλλον. Ίσως οι επιπτώσεις αυτής της αδιαφορίας, περισσότερο από ότι οτιδήποτε άλλο αποτελέσουν κινητήριο µοχλό για την ρηξικέλευθη αλλαγή του αυτοκινήτου ως όλου από την εικόνα που έχουµε για αυτό σήµερα. 2. ΕΙΚΤΕΣ-ΟΙΚΟΝΟΜΟΤΕΧΝΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ & ΛΗΨΗ ΑΠΟΦΑΣΕΩΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ Α. Εισαγωγή Η ενέργεια και οι µεταφορές είναι ιδιαίτερης σηµασίας για την Ευρωπαϊκή ολοκλήρωση. Οι συγγραφείς των πρώτων, ιδρυτικών συνθηκών της Ευρωπαϊκής Κοινότητας πίστευαν ότι αυτοί οι τοµείς είναι απαραίτητοι, όχι µόνο για την - 1 -

2 οικονοµική ανάπτυξη των χωρών, οι οποίες συµµετείχαν στην ανοικοδόµηση µετά το τέλος του ευτέρου Παγκοσµίου Πόλεµου, αλλά και για την εγκαθίδρυση µιας αιώνιας ειρήνης µεταξύ των λαών και τη δυνατότητα ώστε να έρθουν εκείνοι πιο κοντά. Η πρόσφατη δραστηριότητα στην ενέργεια και στις µεταφορές βασίζεται σε δυο σηµαντικά Κοινοτικά έγγραφα : στην Πράσινη Βίβλο µε τίτλο «Προς µια Ευρωπαϊκή στρατηγική για την ασφάλεια της παροχής ενέργειας», που εκδόθηκε το Νοέµβριο του 2000 και στην Λευκή Βίβλο µε τίτλο «Η Ευρωπαϊκή πολιτική των µεταφορών για το 2010 : ώρα για αποφάσεις», που εκδόθηκε το Σεπτέµβριο του Οι λόγοι για τη συγγραφή αυτών των εγγράφων κυρίως είναι η αστάθεια στις τοµές του πετρελαίου και η ατµοσφαιρική ρύπανση. Β. Πετρελαϊκή Κρίση Η σύγχρονη ζωή των ανθρώπων είναι άρρηκτα συνδεδεµένη µε το πετρέλαιο και τα προϊόντα του είτε αυτά καλύπτουν ενεργειακές είτε άλλες καθηµερινές ανάγκες. Το ερώτηµα που τίθεται είναι πόσο πετρέλαιο τελικά αποµένει και πώς είναι δυνατόν να εξαχθούν βάσιµα συµπεράσµατα για τα εναποµείναντα αποθέµατά του. Οι γεωλόγοι συµφωνούν ότι περισσότερα από 875 δισεκατοµµύρια βαρέλια πετρελαίου έχουν αντληθεί από τη γη µέχρι στιγµής, ενώ σχεδόν το σύνολο αυτής της ποσότητας αντλήθηκε κατά τα τελευταία 140 χρόνια της Βιοµηχανικής εποχής. Αν και για την ποσότητα του πετρελαίου που αποµένει υπάρχουν διαφωνίες, εντούτοις οι εκτιµήσεις των επιστηµόνων κυµαίνονται µέσα σε σχετικά στενή κλίµακα. Για την καλύτερη κατανόηση θα πρέπει να γίνει ο καθορισµός του όρου απόθεµα. Οι γεωλόγοι και οι µηχανικοί κάνουν διαχωρισµό µεταξύ αποθεµάτων και πόρων. Ο όρος «αποθέµατα» αναφέρεται στις γνωστές ποσότητες πετρελαίου που βρίσκονται στα κοιτάσµατα και οι οποίες µπορούν να παραχθούν µε τις υπάρχουσες τεχνολογίες, µέσα σε ορατό χρονικό πλαίσιο, και µε εµπορικά εύλογο κόστος. Ο όρος «πόροι» αναφέρεται σε θεωρητικούς υπολογισµούς των συνολικών ποσοτήτων πετρελαίου που ενδέχεται να υπάρχουν σε κάποια περιοχή, συµπεριλαµβανοµένων εκείνων που δεν µπορούν να αντληθούν µε οικονοµικά συµφέροντα τρόπο ή να διυλιστούν µε τις υπάρχουσες τεχνολογίες ή κάτω από τις τρέχουσες συνθήκες της αγοράς. Η συνολική παραγωγή (ποιες ποσότητες συµβατικού πετρελαίου έχουν παραχθεί παγκοσµίως µέχρι σήµερα), ο γενικός υπολογισµός των παγκοσµίων αποθεµάτων πετρελαίου και η προβολή των ανακτήσιµων ποσοτήτων πετρελαίου που δεν έχουν ακόµη ανακαλυφθεί αποτελούν το τελικό σύνολο του ανακτήσιµου πετρελαίου. Από υπολογισµούς όσον αφορά στα αποθέµατα των Η.Π.Α., της Σαουδικής Αραβίας και της Ρωσίας δίνονται οι εξής τιµές στον παρακάτω πίνακα : ΠΙΝΑΚΑΣ Ι ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΤΡΙΩΝ ΜΕΓΑΛΩΝ ΧΩΡΩΝ, ΗΤΟΙ Η.Π.Α., ΣΑΟΥ ΙΚΗΣ ΑΡΑΒΙΑΣ & ΡΩΣΙΑΣ *(οι τιµές σε δις βαρέλια) Η.Π.Α. Σαουδική Αραβία Ρωσία Ανακτήσιµα αποθέµατα 195* 300* 200* Αντληθέντα 169* 91* 121* Εναποµείναντα 20* 194* 66* εν έχουν ανακαλυφθεί 6* 14* 13* % ανεκµετάλλευτα αποθέµατα Σύµφωνα µε την Αµερικανική Γεωλογική Επιθεώρηση υπολογίζεται ότι υπάρχουν δισεκατοµµύρια βαρέλια τελικά ανακτήσιµων αποθεµάτων. Χρησιµοποιώντας τα στοιχεία αυτά και παίρνοντας ως δεδοµένη τη συνέχιση του τρέχοντος ρυθµού αύξησης της ετήσιας παραγωγής της τάξης του 2%, η Γραµµατεία Πληροφοριών Ενέργειας εκτιµά ότι η παγκόσµια παραγωγή θα κορυφωθεί το Με τη χρήση ελαφρώς διαφορετικών υποθέσεων στο ίδιο µοντέλο προκύπτει ότι η κορύφωση µπορεί να εµφανιστεί και µέχρι το 2016 (και χωρίς να ληφθεί υπόψη ότι άλλα µοντέλα υπολογισµού τοποθετούν τον αριθµό των ανακτήσιµων αποθεµάτων σε πολύ µικρότερες τιµές). Η παγκόσµια ζήτηση αργού πετρελαίου βρίσκεται αυτή τη στιγµή περίπου στα 24 δισεκατοµµύρια βαρέλια ετησίως και αυξάνεται, όµως ανακαλύπτονται λιγότερα από 12 δισεκατοµµύρια βαρέλια ανακτήσιµου πετρελαίου σε νέα κοιτάσµατα κάθε χρόνο, αριθµός που αναµένεται να µειώνεται κάθε χρόνο που περνάει. Η µείωση των νέο-ανακαλυπτόµενων και η εξάντληση των αποδεδειγµένων αποθεµάτων αποκτούν ακόµη µεγαλύτερη σηµασία υπό το φως της προβλεπόµενης αύξησης στην παγκόσµια ζήτηση πετρελαίου µέσα στις επόµενες δύο δεκαετίες. Ο πληθυσµός του πλανήτη αναµένεται να αυξηθεί κατά 1,5 δισεκατοµµύριο µέχρι το 2020 και λόγω αυτού του γεγονότος αναµένεται να επιταχυνθεί η διαδικασία της αστικοποίησης. Η πίεση που ασκείται στα αποθέµατα πετρελαίου σίγουρα θα ενταθεί. Σύµφωνα µε τις προβλέψεις της Γραµµατείας Πληροφοριών Ενέργειας σχετικά µε την παγκόσµια ζήτηση πετρελαίου είναι ότι η παγκόσµια ηµερήσια ζήτηση πετρελαίου θα αυξηθεί από τα 80 εκατοµµύρια στα 120 εκατοµµύρια βαρέλια µέχρι το 2020, αύξηση της τάξης του 50% µέσα σε λιγότερο από είκοσι χρόνια. Νέες έρευνες για την παγκόσµια παραγωγή πετρελαίου καταλήγουν στο αποτέλεσµα ότι η κορύφωση της παραγωγής θα παρουσιαστεί µεταξύ του 2010 και 2020, ενώ µερικές από αυτές εκτιµούν ότι η κορύφωση της παραγωγής θα έρθει - 2 -

3 πριν το Με άλλα λόγια, µέσα σε αυτό το χρονικό διάστηµα, περισσότερα από τα µισά τελικά ανακτήσιµα αποθέµατα πετρελαίου θα έχουν αντληθεί. Ενώ αισιόδοξοι και απαισιόδοξοι διαφωνούν σχετικά µε το πότε είναι πιθανό να κορυφωθεί η παγκόσµια παραγωγή αργού πετρελαίου, όλοι τους αναγνωρίζουν ότι το µεγαλύτερο µέρος των αποθεµάτων βρίσκεται στη Μέση Ανατολή και ότι είναι ζήτηµα χρόνου να βρεθεί εξαρτηµένος ολόκληρος ο κόσµος από τον Περσικό Κόλπο, προκειµένου να ικανοποιεί τις αυξανόµενες ανάγκες του σε πετρέλαιο. Γ. Ατµοσφαιρική Ρύπανση Η ατµοσφαιρική ρύπανση είναι στενά συνδεδεµένη µε την καύση ορυκτών καυσίµων. Το φυσικό αέριο µπορεί να αποτελέσει µια προσωρινή λύση. Τα καλά νέα όσον αφορά στο φυσικό αέριο είναι ότι αποτελεί λιγότερο ακάθαρτη µορφή ορυκτού καυσίµου σε σχέση τόσο µε το πετρέλαιο όσο και τον άνθρακα. Το πετρέλαιο παράγει 33% περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα από ό,τι το φυσικό αέριο ανά αντίστοιχη µονάδα παραγόµενης ενέργειας, ενώ ο άνθρακας παράγει 66% περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα. Τα άσχηµα νέα είναι ότι νέες µελέτες δείχνουν πως η παγκόσµια παραγωγή φυσικού αερίου είναι πιθανό να κορυφωθεί λίγο µετά την παγκόσµια παραγωγή πετρελαίου. Σύµφωνα µε τη ιακυβερνητική Επιτροπή Κλιµατικών Αλλαγών του Ο.Η.Ε. η µέση θερµοκρασία της γης αυξήθηκε κατά µέσο όρο µεταξύ 0,3 και 0,6 βαθµούς Κελσίου. Σαν αποτέλεσµα, η στάθµη των ωκεανών αυξήθηκε µεταξύ 10 και 25 εκατοστών. Η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα έχει αυξηθεί 30% από το Για το µεθάνιο κατά το ίδιο χρονικό διάστηµα η αύξηση είναι 151% και για το οξείδιο του αζώτου 17%. Η αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα είναι υπεύθυνη για περισσότερο από το 70% των επιδράσεων που προξενεί το φαινόµενο του θερµοκηπίου, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό για το µεθάνιο είναι 24% και για το οξείδιο του αζώτου 6% των επιδράσεων. Να αναφερθεί ότι αν και οι µεταφορές αντιστοιχούν στο 28% των συνολικών εκποµπών του διοξειδίου του άνθρακα, θα είναι ο κύριος λόγος για την αποτυχία της Ευρωπαϊκής Ένωσης ώστε να ανταποκριθεί τις δεσµεύσεις του πρωτοκόλλου του Κυότο. Συγκεκριµένα, το 90% της αναµενόµενης αύξησης του CO 2 στο διάστηµα 1990 και 2010 θα αποδίδεται στον τοµέα των µεταφορών µε τις οδικές µεταφορές να ευθύνονται για το 85% των συνολικών εκποµπών του τοµέα των µεταφορών. Αν και οι επιστήµονες συµφωνούν για τις αιτίες που προκαλούν την µέση άνοδο τις θερµοκρασίας της γης ή αλλιώς το φαινόµενο του θερµοκηπίου, εντούτοις η έκταση του φαινοµένου και οι επιπτώσεις που µπορεί να έχει είναι ακόµη υπό συζήτηση. Οι εκτιµήσεις είναι ότι η θερµοκρασία θα ανέβει επιπλέον 1 µε 3,5 βαθµούς Κελσίου µέχρι το Αυτό θα είχε ως αποτέλεσµα την άνοδο της στάθµης τις θάλασσας µεταξύ 15 και 95 εκατοστών. Παράκτιες περιοχές καθώς και ολόκληρα νησιά θα εξαφανιστούν από το χάρτη καθώς οι πάγοι λιώνουν και οι ωκεανοί αυξάνουν τη στάθµη τους. Οι επιπτώσεις θα είναι ακόµη πιο καταστροφικές καθώς ο συνδυασµός µε άλλους παράγοντες θα επιφέρει ακόµη χειρότερες επιπτώσεις. Να αναφερθεί ότι αν και η παγκόσµια άνοδος της θερµοκρασίας δεν θα έχει µόνο δυσµενείς επιπτώσεις (επισηµαίνουν οι κλιµατολόγοι), οι δυσµενείς επιδράσεις είναι τόσες πολλές (µε πολλές από αυτές απρόβλεπτες) µε αποτέλεσµα να υπερκεράζουν αυτές των θετικών. Το χειρότερο υποθετικό σενάριο είναι να συµβεί είναι µια απότοµη κλιµατική αλλαγή η οποία θα είχε αιτία µια απότοµη και δραµατική άνοδο της θερµοκρασίας της γης και αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός νέου κλιµατικού καθεστώτος από τη µια µέρα στην άλλη. Μια τέτοια αλλαγή στο κλίµα θα µπορούσε να αποδειχτεί καταστροφική για πολλά οικοσυστήµατα και είδη φυτών και ζώων σε ολόκληρο των πλανήτη. Η Ευρώπη συµβάλλει 14% στις συνολικές εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα, η Ασία 25% και η Βόρειος Αµερική 29%. Το πρωτόκολλο του Κυότο µπορεί να είναι µόνο το πρώτο βήµα ούτως ώστε να µειωθούν οι εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου. Σχήµα 1 : Εκποµπές CO 2 το 2002 (σε εκατοµµύρια τόνους CO 2 ) ανά καύσιµο & τοµέα - 3 -

4 Σχήµα 2 : Εκποµπές CO 2 ανά τοµέα µεταφορών σε εκατοµµύρια τόνους (ΕΕ-15) τα έτη 1985, 1990 και Λευκή Βίβλος Οι µεταφορές είναι ένας κρίσιµος τοµέας για την οικονοµική ανταγωνιστικότητα και για τις εµπορικές, οικονοµικές και πολιτιστικές συναλλαγές. Αυτός ο τοµέας της οικονοµίας αντιστοιχεί σε περίπου δισεκατοµµύρια ευρώ ή πάνω από το 10% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος και απασχολεί 10 εκατοµµύρια ανθρώπους. Οι µεταφορές βοηθούν επίσης στο να έρθουν οι κάτοικοι της Ευρωπαϊκής Ένωσης πιο κοντά και η Κοινή Πολιτική Μεταφορών είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους του χτισίµατος της Ευρώπης. Όµως οι κίνδυνοι είναι µεγάλοι. Η κυκλοφοριακή συµφόρηση, η οποία επιδρά αρνητικά στο περιβάλλον και επίσης προκαλεί ατυχήµατα χειροτερεύει όλο και περισσότερο µέρα µε τη µέρα, έχει αρνητικές επιπτώσεις τόσο στους πολίτες όσο και στην οικονοµία. Αν δεν ληφθούν δραστικά µέτρα, το κόστος της συµφόρησης θα συµβάλλει στο 1% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος της Ευρωπαϊκής Ένωσης το 2010 ενώ παραδόξως οι πιο αποµακρυσµένες περιοχές θα παραµείνουν αµελητέα συνδεδεµένες µε τις κεντρικές αγορές. Η Ευρώπη πρέπει να επιφέρει µια πραγµατική αλλαγή στην Κοινή Πολιτική των Μεταφορών. Είναι σαφές ότι πρέπει να τεθούν νέοι στόχοι : πρέπει να αποκατασταθεί η ισορροπία µεταξύ των διάφορων µορφών µεταφοράς και να εξελιχθούν οι µεταφορές που εκτελούνται µε περισσότερα του ενός µέσα (intermodality), να καταπολεµηθεί η κυκλοφοριακή συµφόρηση και να τεθούν η ασφάλεια και η ποιότητα των υπηρεσιών στην καρδιά των προσπαθειών, καθώς θα διατηρείται το δικαίωµα για µετακίνηση. Αυτό το νέο πλαίσιο θα προωθήσει τη χρησιµοποίηση λιγότερο ρυπογόνων οχηµάτων και η αποσυµφόρηση των ήδη υπαρχόντων δικτύων θα προετοιµάσει το δρόµο για νέου τύπου υποδοµές χρηµατοδότησης. Η Λευκή Βίβλος των Μεταφορών υιοθετήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση στις 12 Σεπτεµβρίου του 2001 και απεικονίζει µια ρεαλιστική εικόνα της παρούσας κατάστασης όσον αφορά στις µεταφορές και εκθέτει ένα πρόγραµµα φιλόδοξων δράσεων το οποίο περιέχει 60 περίπου µέτρα µέχρι το Ε. Πράσινη Βίβλος Η Ευρωπαϊκή Κοινότητα καταναλώνει όλο και περισσότερη ενέργεια και εισάγει όλο και περισσότερα ενεργειακά προϊόντα. Η παραγωγή της Κοινότητας είναι ανεπαρκής για τις ενεργειακές απαιτήσεις της Ένωσης. Σαν αποτέλεσµα, η εξωτερική εξάρτηση για ενέργεια συνεχώς αυξάνεται. Η Πράσινη Βίβλος αποτελεί την ανταπόκριση σε ένα σηµαντικό γεγονός : στην αυξανόµενη ενεργειακή εξάρτηση της Ευρώπης. Στόχος της είναι στο να ξεκινήσει ένας διάλογος για την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασµού. Η Ευρωπαϊκή Ένωση είναι εξαιρετικά εξαρτηµένη από τις εξωτερικές προµήθειες. Εισάγει περίπου το 30% των απαιτήσεών της, ένας αριθµός ο οποίος θα αυξηθεί στο 60% περίπου το 2030, µε ακόµη µεγαλύτερη εξάρτηση σε πετρέλαιο και αέριο, εάν οι παρούσες συνθήκες παραµείνουν ως έχουν. Αυτό κόστισε στην Ένωση περίπου 240 δισεκατοµµύρια ευρώ, ή 6% των συνολικών εισαγωγών και 1,2% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος. Η αναφορά στην Πράσινη Βίβλο έχει ως σκοπό να δείξει, όσο αντικειµενικά γίνεται, ότι η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει πολύ περιορισµένο πεδίο ώστε να επηρεάζει τον ενεργειακό εφοδιασµό. Επίσης θέλει να δείξει ότι οι τεράστιες προσπάθειες που απαιτούνται ώστε να προωθηθούν οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας θα έχουν µικρή επίδραση στην αύξηση της ζήτησης. Οι συµβατικές πηγές ενέργειας θα παραµείνουν απαραίτητες για αρκετό χρονικό διάστηµα. Οι προσπάθειες πρέπει να εστιαστούν στο να καλυφθεί η ζήτηση για ενέργεια µε ένα τρόπο ο οποίος σέβεται τις δεσµεύσεις του Κυότο και να λαµβάνει υπόψη την ασφάλεια της παροχής. Σε αυτό το έγγραφο τίθενται 13 ερωτήµατα, τα οποία σκοπό έχουν να δώσουν το έναυσµα για συζήτηση, ώστε να απαντηθεί το ερώτηµα για το ποια µέτρα πρέπει να ληφθούν. Οι µεταφορές σίγουρα είναι ότι πιο άγνωστο για το µέλλον της ενέργειας. Με µια αγορά εξαρτώµενη αποκλειστικά στο πετρέλαιο (98% της κατανάλωσης των µεταφορών, το οποίο αντιστοιχεί στο 67% της τελικής ζήτησης σε πετρέλαιο), αυτός ο τοµέας εµφανίζει απότοµη αύξηση κατανάλωσης. Μεταξύ του 1985 και του 1998 αυξήθηκε από 203 εκατοµµύρια τόνους ισοδύναµου πετρελαίου σε 298, ενώ ο αριθµός των δηµόσιων και ιδιωτικών - 4 -

5 Σχήµα 3 : Τα επιβατικά αυτοκίνητα το 2001 ανά κατοίκους οχηµάτων σε χρήση αυξήθηκε από 132 εκατοµµύρια σε 189 (µεταξύ του 1970 και 2000, ο αριθµός των αυτοκινήτων στην Κοινότητα τριπλασιάστηκε από 62,5 εκατοµµύρια στα σχεδόν 175 εκατοµµύρια, ενώ αναµένεται ο αριθµός των ιδιωτικών αυτοκινήτων να αυξάνει κατά περισσότερα από 3 εκατοµµύρια κάθε χρόνο δίχως να λαµβάνεται υπόψη η διεύρυνση). Στο άµεσο µέλλον αυτός ο τοµέας θα συνεχίσει να αυξάνεται µε ρυθµό 2% ετησίως στην τρέχουσα δεκαετία. Ήδη σε κάθε δύο Ευρωπαίους αντιστοιχεί περίπου ένα αυτοκίνητο (στοιχεία 1999, ΕΕ-15). Η προσπάθεια την Κοινότητας σε συνεργασία µε την αυτοκινητοβιοµηχανία ώστε να µειωθούν οι εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα από τα επιβατικά οχήµατα θα συµβάλει σηµαντικά στη µείωση της κατανάλωσης καυσίµων. Όµως, αυτή η πρόοδος δεν θα είναι επαρκής ώστε να µειώσει ή έστω να σταθεροποιήσει τη ζήτηση σε ενέργεια του τοµέα των µεταφορών. Η κατάσταση είναι αρκετά δύσκολη αν αναλογιστεί κανείς ότι η αυξανόµενη εξάρτηση της Ευρώπης σε αποθέµατα ενέργειας εκτός του εδάφους της και η ακόµη µεγαλύτερη απόσταση στην οποία αυτά βρίσκονται αυξάνουν τόσο τα έξοδα µεταφοράς όσο και τις απαιτήσεις των µεταφορών. Επίσης, επειδή η Ευρωπαϊκή Ένωση βασίζεται για τις ενεργειακές της ανάγκες από εισαγωγές, είναι εξαρτηµένη σε συνθήκες εφοδιασµού και ζήτησης από τις διεθνείς αγορές ενέργειας. Μακροπρόθεσµα, οι ενεργειακές επιλογές που θα γίνουν από τις αναπτυσσόµενες χώρες και συγκεκριµένα από την Κίνα, την Ινδία και τη Λατινική Αµερική, των οποίων ο πληθυσµός και οι ενεργειακές απαιτήσεις θα παρουσιάσουν τη µεγαλύτερη άνοδο, θα έχουν τον πιο αποφασιστικό ρόλο και τη µεγαλύτερη επιρροή στις διεθνείς ενεργειακές αγορές. Σύµφωνα µε δηµογραφικούς αναλυτές, µέχρι το 2020 ο ανθρώπινος πληθυσµός θα φτάσει τα 8 δισεκατοµµύρια-δύο δισεκατοµµύρια παραπάνω από το Η απαίτηση του κόσµου σε ενέργεια, σύµφωνα µε τις σύγχρονες τάσεις, θα αυξηθεί απότοµα και τα αναπτυσσόµενα κράτη θα αντιστοιχούν στο 90% αυτής της ανόδου. Η ζήτηση θα αυξηθεί περίπου 65% τα επόµενα 20 χρόνια, από 9,3 δισεκατοµµύρια ΤΙΠ το 2000 σε 15,4 το Αυτή η τάση θα έχει Σχήµα 4 : Τελική ενεργειακή κατανάλωση ανά τοµέα το 2002 σε εκατοµµύρια ΤΙΠ - 5 -

6 σηµαντική επίδραση στις τιµές των συµβατικών καυσίµων. Όµως αυτή η τάση θα µπορεί να αντισταθµιστεί από τις διεθνείς προσπάθειες για την προώθηση των Α.Π.Ε. και της ενεργειακής απόδοσης, για παράδειγµα στη µάχη κατά της κλιµατικής αλλαγής. Για να δοθεί ένα παράδειγµα, ο αριθµός των αυτοκινήτων σε χρήση παγκοσµίως προβλέπεται να διπλασιαστεί µέχρι το Η µεγαλύτερη συµβολή στην άνοδο αυτή θα οφείλεται στις αναπτυσσόµενες χώρες. Στις χώρες του Ο.Ο.Σ.Α., υπάρχουν ήδη 6 αυτοκίνητα για 10 πολίτες, ενώ στον περισσότερο από τον υπόλοιπο κόσµο, ο λόγος είναι 2 αυτοκίνητα για 100 άτοµα. Γίνεται, λοιπόν, κατανοητό ότι µε την άνοδο των αναπτυσσόµενων χωρών και µόνο ή πίεση στις τιµές του πετρελαίου βραχυπρόθεσµα θα είναι πολύ µεγάλη. Όσο η Ευρωπαϊκή Ένωση αποτυγχάνει να µειώσει την επιρροή που ασκούν οι διεθνείς αγορές, αυτή η κατάσταση θα παραµείνει η Αχίλλειος πτέρνα της Ευρωπαϊκής οικονοµίας και η ικανότητά της να ασκεί εκείνη επιρροή σε παγκόσµιο επίπεδο θα είναι περιορισµένη. Σαν αποτέλεσµα, η Ένωση δεν θα είναι ικανή να χρησιµοποιήσει το βάρος της στο διεθνή πολιτικό διάλογο. Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι τα αποθέµατα σε συµβατικές πηγές ενέργειας δεν µπορούν στην παρούσα φάση (αλλά ούτε και στο µέλλον) να αποτελέσουν τη βάση για την ενεργειακή αυτάρκεια της Ευρώπης. Μόνο η µετάβαση στις Α.Π.Ε. µπορεί να βοηθήσει στην ενεργειακή ανεξαρτητοποίηση της Ευρώπης. ΣΤ. Ελλάς 1) Ενεργειακό Ισοζύγιο-Πετρέλαιο : Σύµφωνα µε το ενεργειακό ισοζύγιο του 2000, η συνολική εγχώρια πρωτογενής παραγωγή ανήλθε στα χιλ. ΤΙΠ. Από αυτή, το 82,4% αντιστοιχούσε στο λιγνίτη, το 14% σε Α.Π.Ε (η Βιοµάζα διατηρούσε ποσοστό 9,5% και η παραγωγή Υδροηλεκτρικής Ενέργειας 3,2%) ενώ το 2,6% σε αργό πετρέλαιο. Οι συνολικές εισαγωγές για την ίδια χρονιά ανήλθαν στα χιλ. ΤΙΠ (µε τις εισαγωγές αργού να φτάνουν σχεδόν το 90%), ενώ οι καθαρές εισαγωγές έφτασαν τις χιλ. ΤΙΠ, από τα οποία το αργό καταλάµβανε την πρώτη θέση µε χιλ. ΤΙΠ ή ποσοστό 86,5%, το φυσικό αέριο ακολουθούσε µε ποσοστό 9,3% επί των καθαρών εισαγωγών και τέλος τα στερεά καύσιµα (εισαγωγές λιθάνθρακα) και ποσοστό 4,2% ή 768 χιλ. ΤΙΠ. Η συνολική πρωτογενής διάθεση στη χώρα για το 2000 έφτασε στους χιλ. ΤΙΠ. Το 56,1% αντιστοιχούσε σε αργό πετρέλαιο ενώ το 32,5% σε στερεά καύσιµα (κυρίως λιγνίτη). Το υπόλοιπο ποσοστό αποτελούσαν το φυσικό αέριο µε 5,1% και οι Α.Π.Ε.. Τα εξακριβωµένα αποθέµατα πετρελαίου της χώρας υπολογίζονται σε περίπου 9 εκ. βαρέλια µε την ηµερήσια παραγωγή να φτάνει τα περίπου Β/d το Από το 1997 έχουν δοθεί άδειες για έρευνα νέων κοιτασµάτων στις κοινοπραξίες ΕΛ.ΠΕ. Enterprise Oil και ΕΛ.ΠΕ. Triton Energy, καλύπτοντας έκταση km 2, κυρίως στη. Ελλάδα. Η εγχώρια πρωτογενής κατανάλωση έφτασε τα B/d το 2001, σηµειώνοντας αύξηση 22,6% σε σχέση µε το 1991, ενώ οι τάσεις για την τρέχουσα δεκαετία δείχνουν ακόµα µεγαλύτερη ποσοστιαία αύξηση. Το µεγαλύτερο µέρος του εισαγόµενου αργού προέρχεται από το Ιράν, τη Σαουδική Αραβία και τη Ρωσία, ενώ µικρότερες ποσότητες εισάγονται από τη Λιβύη, το Ιράκ και την Αίγυπτο. Το 2000 το ποσοστό του πετρελαίου στην εγχώρια πρωτογενή κατανάλωση ανήλθε στο 56,1%, ποσοστό υψηλότερο του αντίστοιχου µέσου όρου της Ε.Ε. Η συνεισφορά του πετρελαίου στην τελική ενεργειακή ζήτηση έφτασε το 69%, µε το 54,5% να καταναλίσκεται στον τοµέα των µεταφορών, το 14,9% στο βιοµηχανικό και το υπόλοιπο να αφορά τον οικιακό και εµπορικό τοµέα. Οι δύο τελευταίοι τη δεκαετία παρουσίασαν τη µεγαλύτερη ποσοστιαία αύξηση (35%) στην κατανάλωση πετρελαίου, ενώ οι τοµείς των µεταφορών και της βιοµηχανίας παρουσίασαν µεγέθυνση της τάξης του 18% και 24% αντίστοιχα. 2) Εκποµπές : Στο πλαίσιο της επίτευξης των στόχων που ορίζονται στο Πρωτόκολλο του Κυότο, η Ελλάδα έχει σαν οροφή στην εκποµπή αερίων θερµοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), µεθάνιο (CH 4 ), οξείδιο του αζώτου (N 2 O), υδροφθορανθράκων (HFC), υπερφθοριωµένων υδρογονανθράκων (PFC) και εξαφθοριούχου θείου (SF 6 )) για το 2010, το 125% των τιµών του έτους βάσης δηλαδή του Σχήµα 5 : Μόνο οι µεταφορές το 1999 αντιστοιχούσαν στο 20% των εκποµπών CO 2-6 -

7 Το 2000, σύµφωνα µε το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών (ΕΑΑ), οι εκποµπές CO 2, N 2 O και CH 4 κατέγραφαν αύξηση 23,3% σε σχέση µε τα επίπεδα του 1990, µε το 50% των εκποµπών CO 2 να οφείλεται στην ηλεκτροπαραγωγή. Σύµφωνα επίσης µε το ΕΑΑ, το 2010 οι εκποµπές αερίων θερµοκηπίου (Greenhouse Gas Emissions) θα είναι κατά 35,8% αυξηµένες σε σχέση µε αυτές του έτους βάσης (1990), ενώ οι εκποµπές CO 2 που αντιστοιχούν στον ενεργειακό τοµέα να καταγράφουν αύξηση 41,2% σε σχέση µε τα επίπεδα του Στο ΣΑΕ προβλέπεται ότι οι εκποµπές των αερίων του θερµοκηπίου το έτος 2010 (153,5 Mt CO2 eq) θα είναι αυξηµένες κατά 39,2% σε σύγκριση µε το έτος βάσης (110,2 Mt CO2 eq), ενώ το 2020 (173,7 Mt CO2 eq) το αντίστοιχο ποσοστό αύξησης εκτιµάται σε 57,6%. Βασικό συµπέρασµα που προκύπτει από τα αποτελέσµατα της πρόβλεψης εκποµπών στο ΣΑΕ είναι ότι στον χρονικό ορίζοντα της παρούσας δεκαετίας αναµένεται µία σηµαντική αύξηση των εκποµπών αερίων του θερµοκηπίου στην Ελλάδα, η οποία για το 2010 (39,2%) υπερβαίνει σηµαντικά το στόχο του περιορισµού της αύξησης των εκποµπών κατά την περίοδο (25% των εκποµπών του έτους βάσης). Στο πλαίσιο του ΕΣΚ Ε υιοθετείται µία διαδροµή επίτευξης του στόχου του Κυότο το 2010 (Kyoto path), θεωρώντας ότι τόσο η διευρυµένη χρήση των µονάδων φυσικού αερίου για την παραγωγή ηλεκτρισµού όσο και ο άξονας µέτρων στον οικιακό /τριτογενή τοµέα θα υλοποιηθούν από το 2008 και µετά, καθώς τότε θα καταστεί εφικτή η εφαρµογή τους ως αποτέλεσµα των προπαρασκευαστικών δράσεων που έχουν δροµολογηθεί. Προς το παρόν, η επιλεγείσα διαδροµή εξαιρεί τα εν λόγω µέτρα την περίοδο και έτσι προκύπτει η καµπύληδιαδροµή του σχήµατος 6. Σύµφωνα µε τη διαδροµή αυτή, οι εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου στη χώρα την τριετία θα πρέπει να µειωθούν σε σχέση µε το επικαιροποιηµένο ΣΑΕ κατά 2,1%, ενώ οι απαιτούµενες µειώσεις σε σχέση µε το ΣΑΕ εκτιµώνται σε 1,9 Μt CO2eq το 2005, 3 Μt CO2eq το 2006 και 4,4 Μt CO2eq το Το συνολικό δυναµικό µείωσης των εκποµπών αερίων θερµοκηπίου στο χρονικό ορίζοντα του έτους 2010 από τον τοµέα των µεταφορών ανέρχεται σύµφωνα µε τις εκτιµήσεις του Εθνικού Προγράµµατος σε 0,5 Mt CO2eq. 3. Υ ΡΟΓΟΝΟ Α. Εισαγωγή Σχήµα 6 : ΣΑΕ και επιλεγείσα διαδροµή για την επίτευξη του στόχου του Κυότο για την Ελλάδα το Το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί από όλες τις πηγές ενέργειας που υπάρχουν. Εκείνες όµως που το καθιστούν Ανανεώσιµη Πηγή Ενέργειας και το εντάσσουν στα πλαίσια της αειφόρου ανάπτυξης είναι οι Α.Π.Ε.. Οι διεργασίες που µπορούν να χρησιµοποιηθούν είναι χηµικές, βιολογικές, ηλεκτρολυτικές, φωτολυτικές και θερµοχηµικές. Το Υδρογόνο αναγνωρίστηκε ως στοιχείο από τον Cavendish το 1766 και ονοµάστηκε από τον Lavoisier. Το Υδρογόνο είναι ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στο σύµπαν. Είναι άχρωµο, άοσµο, άγευστο και µη δηλητηριώδες αέριο. Όταν καίγεται σε µια µηχανή εσωτερικής καύσης τότε παράγει σχεδόν µηδενικές εκποµπές µε µόνο υποπροϊόν το νερό. Έχει την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα βάρους, λόγω όµως της χαµηλής πυκνότητάς του, έχει χαµηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα όγκου, άρα είναι καλύτερα να χρησιµοποιείται σε εφαρµογές στις οποίες το βάρος παρά ο όγκος έχει σηµασία. Καίγεται στον αέρα σε πολύ µεγαλύτερο εύρος συγκεντρώσεων από ότι το µεθάνιο και τα όρια έκρηξής του είναι επίσης µεγαλύτερα, αλλά διαχέεται πιο γρήγορα από το µεθάνιο ή τις βενζίνες. Είναι ελαφρύτερο του αέρα ελαφρύτερο του αέρα και εποµένως ανεβαίνει γρήγορα ψηλά, εναντιθέσει µε το προπάνιο και τους ατµούς βενζίνης που παραµένουν στο έδαφος

8 ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ ΣΥΓΚΡΙΣΗ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ, ΜΕΘΑΝΙΟΥ ΚΑΙ ΒΕΝΖΙΝΗΣ Ένα κύριο χαρακτηριστικό του Υδρογόνου είναι ότι δεν είναι πρωτογενής πηγή ενέργειας, αλλά, όπως ο ηλεκτρισµός, πρέπει να παραχθεί. Το Υδρογόνο µπορεί να παραχθεί από διάφορες ενεργειακές πηγές. Το Υδρογόνο ως αέριο µπορεί να µεταφερθεί σε µεγάλες αποστάσεις µέσω σωληνώσεων τόσο φθηνά όσο ο ηλεκτρισµός. Στο χώρο παραλαβής θα µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρισµό. Επιπρόσθετα το Υδρογόνο έχει πολύ πιο ευρύ φάσµα εφαρµογών από τον ηλεκτρισµό και δεν µολύνει. Σαν εναλλακτικό καύσιµο, το Υδρογόνο υποστηριζόταν σε κάποιους κύκλους από το 1930, όµως η πρόοδος και η αποδοχή δεν ήταν ανάλογες. Σύµφωνα µε τους περιβαλλοντολόγους είναι το ιδανικό καύσιµο αφού δεν υπάρχει περιβαλλοντικό κόστος στην παραγωγή και χρήση του (δεδοµένου ότι χρησιµοποιούνται Α.Π.Ε. για την παραγωγή του), ενώ δεν βλάπτει το περιβάλλον ούτε επηρεάζει το στρώµα του όζοντος, ενώ τα προϊόντα καύσης του δεν περιέχουν σωµατίδια (αιθάλη). Μέχρι σήµερα ο µεγαλύτερος καταναλωτής υδρογόνου σαν καύσιµο στον κόσµο είναι η NASA που το χρησιµοποιεί για την εκτόξευση διαστηµοπλοίων και την προώθησή τους σε τροχιά. Ένας λέβητας φυσικού αερίου µπορεί εύκολα να µετατραπεί ώστε να χρησιµοποιηθεί υδρογόνο µε µοναδική αλλαγή την ελάττωση του ανοίγµατος του στοµίου και τη ρύθµιση της ταχύτητας ροής του καυσίµου. Το υδρογόνο µπορεί να χρησιµοποιηθεί, όπως οποιοδήποτε άλλο αέριο στους αεριοστροβίλους. Επίσης µε λίγες µετατροπές στο θάλαµο καύσης µπορεί να αντικαταστήσει την κηροζίνη στα αεροπλάνα, ενώ µπορεί (µε τα κατάλληλα µέτρα ώστε να αποφευχθεί η προανάφλεξη) να αποτελέσει καύσιµο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης πετυχαίνοντας απόδοση 22% υψηλότερη από τον αντίστοιχο βενζινοκινητήρα. Β. Παραγωγή υδρογόνου 1) Παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιµα : Η παραγωγή του υδρογόνου από ορυκτά καύσιµα είναι η πιο ώριµη τεχνολογία στις µέρες µας και η πιο οικονοµική. Μεγάλες ποσότητες υδρογόνου παράγονται παγκοσµίως, κυρίως για χρήση στα διυλιστήρια πετρελαίου και για την παραγωγή λιπασµάτων και χηµικών. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ ΠΑΓΚΟΣΜΙΩΣ ΑΝΑ ΠΗΓΗ - 8 -

9 Οι διεργασίες που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιµα είναι οι εξής : αναµόρφωση φυσικού αερίου και ελαφρών κλασµάτων πετρελαίου, µε την επίδραση υδρατµών σε θερµοκρασία περίπου ο C, παρουσία καταλυτών. Είναι προφανές ότι η εκποµπή CO και CO 2 είναι αναπόφευκτη, παρόλα αυτά, η εξαγωγή του υδρογόνου από το φυσικό αέριο (µεθάνιο) είναι πολύ καθαρή και αποδοτική. Η µέθοδος αυτή είναι η πιο οικονοµικά συµφέρουσα. αεριοποίηση ή απανθράκωση ανθράκων είναι η παλαιότερη µέθοδος παραγωγής υδρογόνου. Πρόκειται για θέρµανση άνθρακα στους 900 ο C µε υδρατµούς και καθαρό οξυγόνο, που το διασπούν σε υγρά, αέρια και στερεά προϊόντα. Αυτή η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί και σε άλλα ανθρακούχα υλικά όπως η βιοµάζα ή τα αστικά απόβλητα. Το κόστος υπολογίζεται στα 13$/GJ. µερική οξείδωση φυσικού αερίου σύµφωνα µε την οποία το υδρογόνο παράγεται από µερική καύση του µεθανίου µε οξυγόνο παράγοντας µονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο καθώς και θερµότητα. CH 4 + ½ O 2 CO + 2H 2 + θερµότητα θερµική διάσπαση υδρογονανθράκων σύµφωνα µε την οποία, το φυσικό αέριο και διάφορα κλάσµατα του πετρελαίου, µε θερµική διάσπαση, δίνουν υδρογόνο και καθαρό άνθρακα στη µορφή σκόνης. Το κόστος είναι υψηλότερο από αυτό της αναµόρφωσης υδρογονανθράκων, καθώς απαιτείται πολλή ενέργεια και η εφαρµογή είναι ακόµα αρκετά περιορισµένη. παραγωγή υδρογόνου από άνθρακα C (S) + H 2 O + heat CO + H 2 αποθείωση συνθετικού αερίου 2) Παραγωγή υδρογόνου από πυρηνική ενέργεια : Η παραγωγή υδρογόνου από πυρηνική ενέργεια γίνεται κυρίως µε θερµοχηµικούς κύκλους στους οποίους το νερό και υψηλής θερµοκρασίας θερµότητα είναι οι ροές εισαγωγής σε µια σειρά από χηµικές αντιδράσεις οι οποίες παράγουν υδρογόνο και οξυγόνο. Εκτός από το νερό όλες οι άλλες χηµικές ουσίες που συµµετέχουν στη διεργασία είναι πλήρως ανακυκλώσιµες. Ένας από τους πιο σηµαντικούς κύκλους παραγωγής είναι αυτός του θείου ιωδίου, σύµφωνα µε τον οποίο λαµβάνουν χώρα τρεις χηµικές αντιδράσεις. I 2 + SO H 2 O 2 HI + H 2 SO 4 H 2 SO 4 + heat H 2 O + SO 2 + 1/2 O 2 2 HI + heat H 2 + I 2 Overall: H 2 O + heat H 2 + 1/2 O 2 Η απόδοση αυτών των αντιδράσεων µπορεί να υπερβεί το 50%. Εδώ πρέπει να αναφερθεί ότι πάνω από 100 τέτοιοι κύκλοι έχουν ανακαλυφθεί. 3) Παραγωγή υδρογόνου από ηλεκτρόλυση : Η ηλεκτρόλυση είναι µια ηλεκτροχηµική διεργασία στην οποία ηλεκτρική ενέργεια είναι η κινητήριος δύναµη για τη διεξαγωγή χηµικών αντιδράσεων. Οι ουσίες διασπώνται µε το πέρασµα ρεύµατος µέσω αυτών. Η πρώτη παρατήρηση αυτού του φαινοµένου έγινε το Ο Nicholson και ο Charlisle ήταν οι πρώτοι που εξέλιξαν αυτή την τεχνολογία το 1800 και στις αρχές του 20ού αιώνα υπήρχαν ήδη 400 βιοµηχανικές µονάδες ηλεκτρόλυσης νερού. Η ηλεκτρόλυση θεωρείται ως µια αρκετά γνωστή αρχή για την παραγωγή οξυγόνου και υδρογόνου. Ο πυρήνας µιας ηλεκτρολυτικής µονάδας είναι το ηλεκτρολυτικό κελί, το οποίο γεµίζεται µε καθαρό νερό και το οποίο έχει δύο ηλεκτρόδια συνδεδεµένα µε µια εξωτερική παροχή ρεύµατος. Σε συγκεκριµένη τάση, η οποία ονοµάζεται κρίσιµη τάση, µεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, τα ηλεκτρόδια αρχίζουν να παράγουν αέριο υδρογόνο στο αρνητικά φορτισµένο ηλεκτρόδιο και αέριο οξυγόνο στο θετικά φορτισµένο ηλεκτρόδιο. Το ποσό των αερίων που παράγεται ανά µονάδα χρόνου είναι άµεσα σχετιζόµενο µε το ρεύµα το οποίο περνάει από το ηλεκτροχηµικό κελί. Στο νερό υπάρχει πάντα µια ποσοστιαία αναλογία των δύο ειδών ιόντος, Η + και ΟΗ - µέσω της ακόλουθης αντίδρασης : Η + (aq) + ΟΗ - (aq) H 2 O (l) Οξυγόνο και υδρογόνο (ως αέρια) µπορούν να παραχθούν σε ηλεκτρόδια από ευγενή µέταλλα µε την ηλεκτρόλυση του νερού : +ηλεκτρόδιο (άνοδος) 4ΟΗ - 2H 2 O + Ο 2 + 4e - - ηλεκτρόδιο (κάθοδος) 2H + (aq) + 2e - H 2 (g) Στην περίπτωση όξινου ή βασικού νερού, οι αντιδράσεις που συµβαίνουν στα ηλεκτρόδια είναι λίγο διαφορετικές. Στην ηλεκτρόλυση του νερού δεν υπάρχουν παράπλευρες αντιδράσεις, οι οποίες θα παρήγαγαν ανεπιθύµητα παραπροϊόντα, άρα η ισορροπία είναι : 2H 2 O (4e - ) O 2 + 2H 2-9 -

10 Η ελάχιστη διαφορά δυναµικού που πρέπει να υπάρχει στο κελί ώστε να ξεκινήσει η ηλεκτρόλυση, Ε ο cell, υπό σταθερές συνθήκες (Τ, Ρ σταθερά, µε Τ=25 o C και Ρ=1ατµ.) δίνεται από τον τύπο : G o Για κλειστά συστήµατα χρησιµοποιείται ο τύπος : E o = cell E o = cell nf A o Αντικαθιστώντας τις τιµές στις παραπάνω εξισώσεις, εξάγονται τα εξής αποτελέσµατα (αντιστοίχως για τις δυο περιπτώσεις) : E o cell = - G o / ηf = 1.23 V E cell = 1.21 V Να αναφερθεί ότι για να αρχίσει µια αντίδραση ένα επιπλέον ενεργειακό εµπόδιο θα πρέπει να ξεπεραστεί, το οποίο είναι η ενέργεια ενεργοποίησης, κάτι που αλλάζει τα αποτελέσµατα. Οι ηλεκτρολυτικές διεργασίες είναι οι κάτωθι : Η αλκαλική ηλεκτρόλυση χρησιµοποιεί ένα υδατικό διάλυµα ΚΟΗ ως ηλεκτρολύτη. Οι αλκαλικοί ηλεκτρολύτες είναι κατάλληλοι για στατικές εφαρµογές και είναι διαθέσιµοι µέχρι 25 bar πιέσεων λειτουργίας. Η ηλεκτρόλυση µέσω µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM ή SPE), δεν απαιτεί υγρό ηλεκτρολύτη, κάτι το οποίο απλοποιεί το σχεδιασµό σηµαντικά. Ο ηλεκτρολύτης είναι µια όξινη πολυµερική µεµβράνη. Οι ηλεκτρολύτες αυτοί µπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να είναι δυνατό να λειτουργήσουν σε πιέσεις µέχρι µερικές εκατοντάδες bar και είναι κατάλληλοι όχι µόνο για στατικές εφαρµογές αλλά και µη στατικές. Το κύριο µειονέκτηµα αυτής της τεχνολογίας είναι η περιορισµένη ζωή των µεµβρανών. Τα κύρια πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τους αλκαλικούς ηλεκτρολύτες είναι : η µεγαλύτερη ασφάλεια λόγω απουσίας του ηλεκτρολύτη ΚΟΗ, η δυνατότητα λειτουργίας σε µεγαλύτερες πιέσεις, η δυνατότητα λειτουργίας µε µεγαλύτερη πυκνότητα ρεύµατος. Η τεχνολογία δεν είναι τόσο ώριµη στην ΡΕΜ ηλεκτρόλυση µε αποτέλεσµα το κόστος να είναι µεγαλύτερο εν συγκρίσει µε εκείνο των αλκαλικών ηλεκτρολυτών. Αναµένεται όµως σηµαντική βελτίωση στη λειτουργία τους. Υψηλών θερµοκρασιών ηλεκτρόλυση. Λαµβάνει χώρα σε θερµοκρασίες των 700 ως 1000 βαθµών Κελσίου µε τη βασικότερη τεχνολογία να είναι τα κελιά στερεού οξειδωτικού ηλεκτρολύτη (SOEC). Η απόδοση της ηλεκτρόλυσης υψηλών θερµοκρασιών είναι πολύ µεγαλύτερη από εκείνη των χαµηλών θερµοκρασιών διότι η ενέργεια που χρειάζεται για τη διάσπαση του νερού σε αυτές τις θερµοκρασίες είναι πολύ λιγότερη. Πέρα από τις ανωτέρω ηλεκτρολυτικές διεργασίες θα αναφερθεί και η φωτο-ηλεκτρόλυση. Η διεργασία αυτή είναι µια άµεση φωτο-ηλεκτρόλυση η οποία συνδυάζει και τις δύο διεργασίες (φωτοβολταϊκό φαινόµενο και ηλεκτρόλυση) σε µια συσκευή. Στη συγκεκριµένη διεργασία το φως χρησιµοποιείται άµεσα για τη διάσπαση του νερού. Οι αποδόσεις αυτών των συστηµάτων µετατροπής ηλιακής ενέργειας σε υδρογόνο έχουν φτάσει το 16%. Η έρευνα σε αυτόν τον τοµέα είναι µεγάλη µε το να καταλαµβάνεται κυρίως από την έρευνα στα υλικά και τη ρευστοδυναµική. 4) Φωτο-βιολογική παραγωγή υδρογόνου (βιοφωτόλυση) : Η φωτοβιολογική παραγωγή υδρογόνου βασίζεται σε δύο βήµατα : στη φωτοσύνθεση και στην παραγωγή υδρογόνου από άλγη και κυανοβακτήρια µε καταλύτες υδρογενάσες. Να αναφερθεί ότι µια συµφέρουσα τιµή πώλησης υδρογόνου µε αυτόν τον τρόπο παραγωγής είναι 13,53$/κιλό. Όσον αφορά στην ηλεκτρόλυση, να αναφερθεί τέλος, ότι µπορεί να συµβεί µε συνδυασµό τεχνολογιών που προαναφέρθηκαν, ενώ επίσης µπορεί να συµβεί µε ηλεκτρισµό που προέρχεται από Α.Π.Ε.. 5) Παραγωγή υδρογόνου από σουλφίδια υδρογόνου : Το H 2 S έχει την προοπτική να αποτελέσει πηγή για την παραγωγή υδρογόνου µε τη διάσπασή του. Το κίνητρο απορρέει κυρίως από το γεγονός ότι υπάρχουν πολλά H 2 S στα ορυκτά καύσιµα. Οι διεργασίες για την παραγωγή υδρογόνου είναι αρκετές. Θα αναφερθεί µια που έχει απόδοση σχεδόν 50% και η οποία είναι η κάτωθι : CH 4 +2H 2 4H 2 + CS 2 6) Παραγωγή υδρογόνου από βιόµαζα : Η παραγωγή του υδρογόνου από βιόµαζα, εκτός από εκείνη που εντάσσεται στα πλαίσια παραγωγής υδρογόνου από Α.Π.Ε. µέσω ηλεκτρόλυσης, µπορεί να γίνει και µε άλλους τρόπους. Να αναφερθεί ότι µε την επεξεργασία της βιόµαζας παράγονται και άλλα προϊόντα, η εκµετάλλευση των οποίων µπορεί να οδηγήσει σε πιο οικονοµική παραγωγή υδρογόνου από τη βιόµαζα. Οι µετατροπές της βιόµαζας µπορούν να χωριστούν στις θερµοχηµικές και στις βιοχηµικές διεργασίες. Οι θερµοχηµικές διεργασίες είναι λιγότερο δαπανηρές διότι µπορούν να λάβουν χώρα σε µεγαλύτερες θερµοκρασίες και έτσι να έχουν nf (1) (2)

11 Σχήµα 7 : Παραγωγή υδρογόνου από βιόµαζα υψηλότερους ρυθµούς αντίδρασης. Επιπροσθέτως µπορούν να συνδυάσουν ένα ευρύ φάσµα τύπων βιόµαζας. Σε αντίθεση, οι βιοχηµικές διεργασίες είναι περιορισµένες σε υγρές πρώτες ύλες και πρώτες ύλες που περιέχουν σάκχαρα. Η αεριοποίηση και η υδρόλυση θεωρούνται ως οι πιο υποσχόµενες µεσοπρόθεσµα τεχνολογίες για την εµπορευµατοποίηση της παραγωγής υδρογόνου από τη βιόµαζα. Γ. Οικονοµικά στοιχεία & συµπεράσµατα για το υδρογόνο Το υδρογόνο, όπως προκύπτει και από την ως τώρα ανάλυση, µπορεί να παραχθεί από ένα ευρύ φάσµα πηγών ενέργειας. Τα παραγωγικά κόστη µπορεί να είναι τόσο χαµηλά όσο 0,75-1,00 $ ανά κιλό (5,28-7,04 $/GJ) από πηγές όπως µεγάλης κλίµακας αναµόρφωση φυσικού αερίου, αεριοποίηση βιόµαζας και άνθρακα. Άλλες µέθοδοι όπως ηλεκτρόλυση από αιολική και πυρηνική ενέργεια µπορούν να παράγουν υδρογόνο µε κόστη τα οποία µπορεί να είναι ανταγωνιστικά σε κάποιο βαθµό, και µε την ηλιακή ηλεκτρόλυση να έχει συνεχή µείωση του κόστους αν και ακόµη σχετικά υψηλό, της τάξης των 6,50 µε 25,80 $/κιλό ( $/ GJ) εξαρτώµενη από µια σειρά παραγόντων όπως η ηλιακή πηγή και το επιτόκιο του εκάστοτε ερευνητικού σχεδίου. Ποια είναι όµως εκείνη η παραγωγική µέθοδος η οποία θα επικρατήσει; Βραχυπρόθεσµα η λύση των ορυκτών καυσίµων και ιδιαίτερα του φυσικού αερίου φαντάζουν οι καλύτερες λύσεις ούτως ώστε να γίνει η µετάβαση σε καθαρότερες και από ανανεώσιµες πηγές παραγωγικές διαδικασίες υδρογόνου. Στα πλαίσια της αειφόρου ανάπτυξης οι µόνες παραγωγικές µέθοδοι που θα ολοκληρώσουν το παιχνίδι θα βασίζονται στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Να αναφερθεί ότι ο εµπορικός στόχος για το παραγωγικό κόστος του υδρογόνου είναι 0,30 $/κιλό υδρογόνου αντιστοιχώντας σε µια τιµή 2.5$/GJ βενζίνης σε µια ανταγωνιστική αγορά. Στην καλύτερη περίπτωση οι τιµές είναι δύο µε τρεις φορές υψηλότερες από αυτή την τιµή, κάτι όµως που αναµένεται να αλλάξει στο µέλλον. 50 [$/GJ H2] Natural gas CO2 Coal CO2 Biomass Nuclear HTGR cogeneration Onshore wind Offshore wind Solar thermal Solar PV Σχήµα 8 : Κόστος ανά GJ παραγόµενου υδρογόνου

12 4. ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ & ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Ένα ερώτηµα που προκύπτει είναι γιατί οχήµατα µε στοιχεία καυσίµου να επικρατήσουν έναντι άλλων οχηµάτων όπως παραδείγµατος χάρη των υβριδικών και µάλιστα όταν τα υβριδικά οχήµατα θεωρούνται να είναι σε άµεσο ανταγωνισµό µε τα αυτοκίνητα στοιχείων καυσίµου. Τα υβριδικά οχήµατα µπορούν µόνο να θεωρηθούν ως προκάτοχοι των ηλεκτρικών παρέχοντας εκείνη την τεχνολογία που θα βοηθήσει στην πλήρη µετάβαση σε αυτοκίνητα κινούµενα µε υδρογόνο. Εξάλλου, η ευρεία αποδοχή των υβριδικών οχηµάτων θα συµβάλλει στη µείωση του κόστους παραγωγής των οχηµάτων µε στοιχεία καυσίµου λόγω των κοινών εξαρτηµάτων που µοιράζονται αυτές οι τεχνολογίες. Τα οχήµατα στοιχείων καυσίµου είναι πιο αποδοτικά. Ο διευθυντής της Honda Take Fukui είπε : Άλλωστε, τα υβριδικά αυτοκίνητα επιτυγχάνουν µόνο 20% περισσότερη οικονοµία στην κατανάλωση καυσίµου κατά µέσο όρο από τα συνήθη αυτοκίνητα. Πιστεύω ότι τα οχήµατα στοιχείων καυσίµου θα επικρατήσουν στο τέλος του παιχνιδιού. Όσον αφορά στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα το ενδιαφέρον δε φαίνεται να είναι τόσο έντονο όσο παλιότερα λόγω των προβληµάτων που αντιµετωπίζουν µε τις µπαταρίες, προβλήµατα τα οποία εντοπίζονται κυρίως είτε στο απαγορευτικό κόστος των υλικών είτε στο µεγάλο χρονικό διάστηµα επαναφόρτισης. Η απόφαση της Ford να εγκαταλείψει την παραγωγή του Think ηλεκτρικού οχήµατος ενισχύει αυτή την άποψη. Τα στοιχεία καυσίµου έχουν ως βασικό δοµικό στοιχείο το κελί καυσίµου. Κάθε κελί µετατρέπει τη χηµική ενέργεια που περιέχει ένα καύσιµο σε ηλεκτρική ενέργεια. Η βασική δοµή ενός κελιού αποτελείται από ένα στρώµα ηλεκτρολύτη το οποίο βρίσκεται σε επαφή µε ένα ανοδικό και ένα καθοδικό ηλεκτρόδιο σε κάθε µεριά. Σε ένα τυπικό κελί καυσίµου, το καύσιµο τροφοδοτείται συνεχώς στην άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και ένα οξειδωτικό µέσο (συνήθως το οξυγόνο του αέρα) τροφοδοτείται συνεχώς στην κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο). Οι ηλεκτροχηµικές δράσεις λαµβάνουν χώρα στα ηλεκτρόδια µε αποτέλεσµα την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος σε εξωτερικό κλειστό κύκλωµα και τη µεταφορά ιόντων µέσω του ηλεκτρολύτη. Τα στοιχεία καυσίµου κατηγοριοποιούνται σύµφωνα µε την επιλογή του ηλεκτρολύτη και του καυσίµου, τα οποία µε τη σειρά τους καθορίζουν τις ηλεκτροδιακές δράσεις και τον τύπο των ιόντων που περνά µέσω του ηλεκτρολύτη. Τα περισσότερα στοιχεία καυσίµου τα οποία βρίσκονται υπό έρευνα σήµερα χρησιµοποιούν αέριο υδρογόνο ή συνθετικό αέριο πλούσιο σε υδρογόνο ως καύσιµο. Το υδρογόνο είναι εξαιρετικά αντιδραστικό για ανοδικές αντιδράσεις. Λόγω του έντονου οξειδωτικού του χαρακτήρα αλλά και της ευκολίας του το οξυγόνο αποτελεί το σύνηθες οξειδωτικό µέσο. Οι τύποι των στοιχείων καυσίµου εξαρτώνται κυρίως από τον τύπο του ηλεκτρολύτη και είναι οι ακόλουθοι : τα στοιχεία καυσίµου πολυµερούς ηλεκτρολύτη (PEFC) τα στοιχεία καυσίµου στερεού οξειδίου (SOFC) τα στοιχεία καυσίµου φωσφορικού οξέος (PAFC) τα στοιχεία καυσίµου αλκαλίων (AFC) τα στοιχεία καυσίµου τηγµένου άνθρακα (MCFC) Η επιλογή του ηλεκτρολύτη καθορίζει και το θερµοκρασιακό εύρος λειτουργίας των στοιχείων καυσίµου. Η θερµοκρασία λειτουργίας και ο χρόνος ζωής των στοιχείων καυσίµου καθορίζουν τις φυσικοχηµικές και θερµοµηχανικές ιδιότητες των υλικών που χρησιµοποιούνται στα εξαρτήµατα των στοιχείων καυσίµου. Οι υδατικοί ηλεκτρολύτες περιορίζονται σε θερµοκρασίες περίπου των 200 βαθµών Κελσίου ή χαµηλότερα λόγω κυρίως της υψηλής τάσης ατµών. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙV ΤΥΠΟΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΚΑΙ ΙΑΦΟΡΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΥΤΩΝ

13 Εκτός από την κατάταξη µε βάση τον ηλεκτρολύτη µπορεί να γίνει κατάταξη µε βάση το καύσιµο : τα στοιχεία καυσίµου µεθανόλης (DAFC ή DMFC) τα στοιχεία καυσίµου άνθρακα (DCFC) Τα στοιχεία καυσίµου τα οποία βρίσκονται σε έντονο ερευνητικό στάδιο είναι τα PEFC ή ΡΕΜ ή SPEFC (ο τελευταίος όρος είναι παλιότερος και δεν χρησιµοποιείται). Αυτό το στοιχείο καυσίµου έχει ως ηλεκτρολύτη µια µεµβράνη πολυµερούς. Η µεµβράνη αυτή διαχωρίζεται σε θετικά και αρνητικά φορτισµένα ιόντα στην παρουσία νερού. Ο τύπος αυτός του ηλεκτρολύτη είναι ένα πολυµερές δηλαδή ένα πλαστικό µε πάχος που κυµαίνεται από 50 ως 150 µικρά. Για την καλύτερη εποπτεία µια µεµβράνη έχει πάχος περίπου όσο 2 µε 7 φύλλα χαρτιού. Στην παρουσία νερού τα αρνητικά ιόντα συγκρατούνται πολύ σταθερά στην όλη διάταξη, εναντιθέσει µε τα θετικά ιόντα που µπορούν να κινούνται ελεύθερα µέσα στη µεµβράνη. Στην εν λόγω κατηγορία στοιχείων καυσίµου τα θετικά ιόντα είναι τα θετικά ιόντα υδρογόνου, που δίνουν και το όνοµα µεµβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (proton exchange membrane). Η κίνηση των ιόντων υδρογόνου µέσω της µεµβράνης σε µια κατεύθυνση µόνο από την άνοδο προς την κάθοδο είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των στοιχείων καυσίµου. Χωρίς αυτή την κίνηση των ιόντων δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύµα στο κλειστό κύκλωµα. Η δοµή των µεµβρανών αυτών βασίζεται στο τεφλόν και αν και λεπτή, µπορεί να είναι ένας εξαιρετικός διαχωριστής αερίων. Μπορεί να κρατήσει χωριστά το καύσιµο υδρογόνο από τον οξειδωτικό αέρα, χαρακτηριστικό απαραίτητο για την οµαλή λειτουργία. Αν και οι µεµβράνες είναι καλοί αγωγοί των ιόντων δεν άγουν ηλεκτρόνια, ένα άλλο επίσης ιδιαίτερο χαρακτηριστικό. Τα ηλεκτρόνια τα οποία παράγονται στο ένα µέρος του κελιού καυσίµου πρέπει να ταξιδέψουν µέσω ενός εξωτερικού κυκλώµατος, στην άλλη µεριά του κελιού καυσίµου ώστε να συµπληρωθεί το κύκλωµα. Αυτή είναι η ηλεκτρική ενέργεια που θα εκµεταλλευθεί το αυτοκίνητο ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή για τη λειτουργία της. Αναφέρθηκε ότι τα ιόντα υδρογόνου και τα ηλεκτρόνια µέσω διαφορετικών διαδροµών καταλήγουν στο άλλο ηλεκτρόδιο από εκείνο στο οποίο παρήχθησαν. Εκεί µαζί µε τα µόρια οξυγόνου αντιδρούν ώστε να παράγουν νερό και θερµότητα. Η διαφορά δυναµικού που µπορεί να έχει ένα κελί καυσίµου είναι πολύ µικρότερη από την ιδανική και είναι της τάξης του ενός Volt. Στις περισσότερες εφαρµογές η διαφορά δυναµικού που απαιτείται είναι πολύ µεγαλύτερη, για παράδειγµα οι ηλεκτρικοί κινητήρες λειτουργούν µε διαφορά δυναµικού 200 ως 300 Volt. Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο από τα στοιχεία καυσίµου αυτά τοποθετούνται σε σειρά ώστε να σχηµατίσουν ένα stack στοιχείων καυσίµου. Για να µειωθεί ο συνολικός όγκος και το βάρος του stack, αντί για δύο συλλέκτες ρεύµατος, µόνο µια πλάκα χρησιµοποιείται µε πεδίο ροής χωριζόµενο στις δύο πλευρές της πλάκας. Αυτού του τύπου η πλάκα λέγεται διπολική και χωρίζει το ένα κελί από το άλλο, µε το να βοηθά στη µεταφορά του υδρογόνου από τη µια µεριά και του αέρα από την άλλη. Η κατασκευή της πλάκας είναι τέτοια ώστε να µην επιτρέπει να την διαπερνούν τα αέρια. Επίσης η εν λόγω πλάκα θα πρέπει να είναι καλός αγωγός των ηλεκτρονίων ώστε τα ηλεκτρόνια που παράγοντα στην άνοδο από τη µια µεριά της πλάκας θα πρέπει να άγονται µέσω αυτής στην κάθοδο η οποία βρίσκεται στην άλλη µεριά. Οι δύο πλάκες που βρίσκονται στα άκρα συνδέονται στο εξωτερικό κύκλωµα. Τα Stack, τα οποία φαίνεται να έχουν µεγάλη εξέλιξη όσον αφορά στην εφαρµογή τους στην αυτοκίνηση, είναι τα PEM στοιχεία καυσίµου και τα στοιχεία καυσίµου αλκαλίων, µε τα πρώτα να έχουν ήδη σηµαντικό προβάδισµα. Αν και η Σχήµα 9 : Σύστηµα µετάδοσης κίνησης µε κινητήρα ΡΕΜ στοιχείο καυσίµου

14 εφαρµογή τους δε φαίνεται να εξυπηρετεί µόνο την κίνηση του οχήµατος, µε αντιπροσωπευτικό παράδειγµα την BMW η οποία θεωρεί τα στοιχεία καυσίµου ως εναλλακτικές µονάδες ενέργειας (APU), εντούτοις η πλειοψηφία της αυτοκινητοβιοµηχανίας τα θεωρεί ως αντικαταστάτες των µηχανών εσωτερικής καύσης. Η δυναµική των οχηµάτων στοιχείων καυσίµου φαίνεται από τα οχήµατα επίδειξης των αυτοκινητοβιοµηχανιών που χρόνο µε το χρόνο αυξάνονται. Παρόλα αυτά δε σηµαίνει ότι ο δρόµος προς τη µετάβαση σε αυτοκίνητα στοιχείων καυσίµου θα είναι απλός. Η δυναµική που έφερε αυτή η νέα τεχνολογία µε τις υποσχέσεις για µεγαλύτερες αποδόσεις και καθαρότερο περιβάλλον ώθησε και τις άλλες τεχνολογίες σε µεγαλύτερη εξέλιξη. 5. ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Για να µελετήσει κανείς τις ενεργειακές µετατροπές που λαµβάνουν χώρα σε ένα αυτοκίνητο θα πρέπει να συµβουλευτεί τους νόµους της Θερµοδυναµικής. Αυτό είναι ιδιαιτέρως σηµαντικό, αν αναλογιστεί κανείς ότι αυτό που ενδιαφέρει σε τελική ανάλυση ένα αυτοκίνητο είναι να µπορεί να διανύει όσο το δυνατόν µεγαλύτερη απόσταση µε τη µικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας, χωρίς βέβαια την εκποµπή ρύπων. Για το αν τελικά θα είναι εφικτή µια µετάβαση σε αυτοκίνητα µε τελείως διαφορετικό τρόπο κίνησης (σύστηµα εκµετάλλευσης ενέργειας), αυτό θα καθοριστεί από τις αποδόσεις τις οποίες αυτά θα προσφέρουν σε συνδυασµό µε λογικό κόστος κατασκευής. Στη θερµοδυναµική ανάλυση που θα ακολουθήσει η προσοχή θα εστιαστεί στις ενεργειακές µετατροπές που λαµβάνουν χώρα στον κινητήρα. Ουσιαστικά αυτό το σύστηµα είναι που θα διαφέρει µεταξύ των συµβατικών αυτοκινήτων που υπάρχουν σήµερα και ενός αυτοκινήτου που θα κινείται µε Α.Π.Ε. (εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων). Ο βαθµός θερµικής απόδοσης, η th, µιας θερµικής µηχανής είναι ίσο µε το λόγο του έργου που εκτελεί το σύστηµα προς τη θερµότητα που εισήχθη στο σύστηµα : η th = W Q Q Q Q net in out out = = 1 (3) in Qin Qin Για αντιστρεπτές διεργασίες ο λόγος των θερµοτήτων µπορεί να αντικατασταθεί από το λόγο των θερµοκρασιών στις οποίες ανταλλάσσονται οι θερµότητες µε αποτέλεσµα να προκύπτει η εξής σχέση για το βαθµό θερµικής απόδοσης (ή αλλιώς η θερµική απόδοση για τον κύκλο Carnot) : T L η th, Carnot = 1 - (4) T Η απόδοση του κύκλου Carnot είναι µια εφαρµογή του δεύτερου Νόµου της Θερµοδυναµικής, και µάλιστα επειδή όλες οι διεργασίες που λαµβάνουν χώρα είναι αντιστρεπτές, ο κύκλος Carnot είναι η πιο αποδοτική θερµική µηχανή, θέτοντας ένα άνω όριο για το χρήσιµο έργο που µπορεί να εκτελέσει µια θερµική µηχανή λαµβάνοντας θερµότητα. Έχοντας ως σηµείο αναφοράς το περιβάλλον, δηλαδή το ψυχροδοχείο µιας θερµικής µηχανής είναι το περιβάλλον, τότε η απόδοση του κύκλου Carnot εξαρτάται µόνο από την υψηλότερη θερµοκρασία στον κύκλο και µάλιστα όσο µεγαλύτερη είναι εκείνη τόσο µεγαλύτερη είναι η απόδοση. Για να φτάσει όµως τη µεγαλύτερη δυνατή θερµοκρασία, το καύσιµο χάνει ένα µέρος της χηµικής του ενέργειας σε αναντίστρεπτες διεργασίες, οι οποίες συµβαίνουν κατά τη διάρκεια της καύσης. H Σχήµα 10 : Απόδοση διαφόρων µηχανών σύµφωνα µε την ΚΘ

15 Τα ηλεκτροχηµικά κελιά, όπως οι µπαταρίες και τα στοιχεία καυσίµου, από την άλλη µεριά, λειτουργούν σε σταθερές θερµοκρασίες µε τα προϊόντα της αντίδρασης να αποµακρύνονται στην ίδια θερµοκρασία στην οποία βρίσκονται τα αντιδρώντα. Λόγω αυτής της ισόθερµης αντίδρασης, περισσότερη από τη χηµική ενέργεια των αντιδρώντων µετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια αντί να καταναλώνεται ώστε να αυξηθεί η θερµοκρασία των προϊόντων. Η διεργασία της ηλεκτροχηµικής µετατροπής είναι, λοιπόν, λιγότερο αναντίστρεπτη από την αντίδραση της καύσης. Στα ηλεκτροχηµικά κελιά, κανένα από τα κριτήρια που προσδιορίζουν τις θερµικές µηχανές δεν ικανοποιείται, άρα η απόδοση του κύκλου Carnot, η οποία περιορίζει το µέγιστο έργο σύµφωνα µε την υψηλότερη θερµοκρασία στον κύκλο, δεν έχει κάποια σχέση στα ηλεκτροχηµικά κελιά. Αντί για αυτό, το µέγιστο έργο για ένα ηλεκτροχηµικό κελί, W max, cell, είναι ίσο µε την αλλαγή στη συνάρτηση Gibbs (ή στην ενέργεια Gibbs), G, µεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων : W max, cell = G (5) Το έργο, το οποίο εκτελείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων µε τη βοήθεια διαφοράς στο ηλεκτρικό δυναµικό, συµβολίζεται W cell. Σε ηλεκτρικούς όρους, το έργο το οποίο εκτελείται από τα ηλεκτρόνια µε τη φόρτιση n e F κινούµενα µέσω µιας διαφοράς δυναµικού, Ε, είναι : W cell = n e FΕ (6) Στην παραπάνω εξίσωση n e είναι ο αριθµός των ηλεκτρονίων που µεταφέρονται ανά mole καυσίµου και F είναι το φορτίο ενός mole ηλεκτρονίων ή αλλιώς η σταθερά του Faraday ( C/mole -1 ). Για να γίνει µια άµεση σύγκριση µεταξύ των θερµικών µηχανών µε τα ηλεκτροχηµικά κελιά, θα χρησιµοποιηθεί η απόδοση που βασίζεται στον Πρώτο Νόµο. Wcell n efe n th, cell = = (7) HHV HHV Στην παραπάνω εξίσωση το HHV είναι η ανώτερη θερµογόνος δύναµη, δηλαδή το Η 2 Ο στα προϊόντα είναι σε υγρή µορφή. Τώρα η µέγιστη απόδοση ενός ηλεκτροχηµικού κελιού δίνεται µε την ανοικτού κυκλώµατος διαφορά δυναµικού, Ε ο, κατά την κατάσταση ισορροπίας κατά την οποία δεν παρατηρείται κίνηση ηλεκτρονίων στο κελί. o n efe n th, cell, max = (8) HHV Η απόδοση που βασίζεται στο εύτερο Νόµο, µιας συσκευής µετατροπής ενέργειας, φανερώνει το βαθµό αντιστρεπτότητας, συγκρίνοντας το πραγµατικό έργο µε το µέγιστο δυνατό έργο που µπορεί να παραχθεί. Για τα ηλεκτροχηµικά κελιά η απόδοση του εύτερου Νόµου είναι λόγος διαφορών δυναµικού. Wact Wact n act nfe E n 2nd, heat engine = = και για τα ηλεκτροχηµικά κελιά n 2nd, heat engine = = = (9) o o Wrev WCarnot n rev nfe E Οι µηχανές εσωτερικής καύσης έχουν ως αρχή λειτουργίας την εισαγωγή καυσίµου στους κυλίνδρους και έπειτα την καύση αυτού ώστε να εκτονωθεί και να παραγάγει έργο. Για την επίτευξη αυτού του στόχου λαµβάνουν χώρα δύο επιµέρους διεργασίες. Η µια είναι η ανύψωση της θερµοκρασίας του καυσίµου και η δεύτερη είναι η µεταφορά θερµότητας από το καύσιµο στη µηχανή για να παραχθεί µηχανικό έργο. Κατά τη διάρκεια της ανύψωσης της θερµοκρασίας του καυσίµου (διεργασία η οποία θεωρείται αδιαβατική), η χηµική ενέργεια του καύσιµου δε χάνεται ούτε για την εκτέλεση έργου αλλά ούτε και για µεταφορά θερµότητας. Ως εκ τούτου η χηµική ενέργεια του καύσιµου καταναλίσκεται για την αύξηση της θερµοκρασίας του ιδίου. Όµως η αύξηση αυτή έχει ως αποτέλεσµα τη µείωση της Σχήµα 11 : Θεωρητική απόδοση στοιχείων καυσίµου και θερµικών µηχανών συναρτήσει της θερµοκρασίας

16 δυνατότητας παραγωγής έργου από το καύσιµο. Αυτό οφείλεται στην αύξηση της εντροπίας από τα αντιδρώντα στα προϊόντα, η οποία µπορεί µε τη σειρά της να χρησιµοποιηθεί για τον υπολογισµό της εξέργειας που χάθηκε κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Έπειτα λόγω της διαφοράς θερµοκρασίας µεταξύ του θερµοδοχείου και του ψυχρoδοχείου µπορεί να παραχθεί έργο. Το µέγιστο έργο που µπορεί να παραχθεί καθορίζεται από το βαθµό θερµικής απόδοσης. Ρεαλιστικές τιµές για τις αποδόσεις των µηχανών εσωτερικής καύσης κυµαίνονται από 20% ως και 45% για πολύ αποδοτικές µηχανές ντίζελ. Η απόδοση των µηχανών εσωτερικής καύσης περιορίζεται σε πολύ χαµηλά επίπεδα λόγω της µη δυνατότητας λειτουργίας τους σε πολύ υψηλές θερµοκρασίες καθώς και λόγω των αναντιστρεπτοτήτων κατά τη διάρκεια λειτουργίας. Η απόδοση των στοιχείων καυσίµου δεν περιορίζεται, όπως αναφέρθηκε, σε αυτούς τους περιορισµούς, µε αποτέλεσµα δυνητικά να µπορεί να είναι µεγαλύτερη από αυτή των µηχανών εσωτερικής καύσης. Για την εύρεση της απόδοσης των στοιχείων καυσίµου ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία : Ισχύει ότι G = H TS άρα G = H T S για Τ σταθερή και αντικαθιστώντας τα θερµοδυναµικά δεδοµένα στις πρότυπες συνθήκες (Ρ=1atm και Τ=25 o C) προκύπτει ότι G= J/mol Η θερµική απόδοση ενός ηλεκτροχηµικού κελιού δίνεται από τον τύπο G n= (10) H και αντικαθιστώντας τις τιµές στην παραπάνω σχέση από πίνακες προκύπτει ότι n=83%. Η απόδοση αυτή είναι θεωρητική και δεν µπορεί να επιτευχθεί στην πραγµατικότητα. Η διαφορά δυναµικού που αντιστοιχεί σε αυτή την τιµή του G από τον τύπο G=-nFΕ είναι ίση µε Ε ο =1,23V. Η διαφορά αυτή δυναµικού αντιστοιχεί σε διαφορά δυναµικού ανοιχτού κυκλώµατος και αντιστοιχεί σε απόδοση δυναµικού 100% των στοιχείων καυσίµου. Βέβαια κατά αυτό τον τρόπο δεν κυκλοφορεί ρεύµα µε αποτέλεσµα να µην παράγεται έργο, πράγµα που φανερώνει ένα λόγο γιατί δεν είναι δυνατόν να δουλεύει το στοιχείο καυσίµου µε τέτοια απόδοση. Οι λόγοι που ευθύνονται για την απόδοση των στοιχείων καυσίµου πέρα από την µέγιστη είναι οι κάτωθι : οι υπερτάσεις, δηλαδή η διαφορά µεταξύ του δυναµικού λειτουργίας του ηλεκτροδίου και του δυναµικού ισορροπίας, µε το δυναµικό λειτουργίας να γίνεται µικρότερο από το δυναµικό ισορροπίας ωµικές απώλειες λόγω αντίστασης που παρουσιάζει ο ηλεκτρολύτης η διεξαγωγή παράπλευρων αντιδράσεων µερική κατανάλωση καυσίµου και φαινόµενα µεταφοράς µάζας κατανάλωση από περιφερειακά συστήµατα Ως τώρα έχει γίνει ανάλυση της θεωρητικής απόδοσης των στοιχείων καυσίµου. Όµως στη συνέχεια αναφέρθηκαν λόγοι οι οποίοι ευθύνονται για την απόδοση των στοιχείων καυσίµου πέρα από την ιδανική. Λαµβάνοντας υπόψη κανείς τις απώλειες λόγω της λειτουργίας καταλήγει κανείς στο ποσοστό του 40% ως τελικής απόδοσης από τη δεξαµενή στους τροχούς. Κάτι το οποίο είναι σηµαντικά µικρότερο από το 60% άλλων θεωρήσεων. Βεβαίως έστω και έτσι είναι σαφώς πολύ µεγαλύτερο από αυτό των συµβατικών µηχανών. Η αειφόρος ανάπτυξη επιτάσσει την παραγωγή του υδρογόνου από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. Αν θεωρηθεί ότι το υδρογόνο παράγεται από ηλεκτρόλυση τότε η συνολική απόδοση από το εργοστάσιο παραγωγής του υδρογόνου µέχρι τους τροχούς του αυτοκινήτου είναι 22% για το συµπιεσµένο αέριο υδρογόνο και 17% για το υγρό υδρογόνο. Αναλυτικότερα παρουσιάζεται η ανωτέρω κατάσταση ως εξής : ΠΙΝΑΚΑΣ V ΙΑ ΟΧΙΚΕΣ ΑΠΟ ΟΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΡΓΑΣΤΑΣΙΟ ΣΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ ΓΙΑ ΑΕΡΙΟ Η 2 (τ.α. 22%) ΠΙΝΑΚΑΣ VI ΙΑ ΟΧΙΚΕΣ ΑΠΟ ΟΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΡΓΑΣΤΑΣΙΟ ΣΤΟΥΣ ΤΡΟΧΟΥΣ ΓΙΑ ΥΓΡΟ Η 2 (τ.α. 17%)

17 Σχήµα 12 : Ενεργειακές ροές για διάφορες διαµορφώσεις αυτοκινήτου (Α) ICE, η συµβατική µηχανή εσωτερικής καύσης µε ανάφλεξη (Β) HICE, ένα υβριδικό όχηµα που περιλαµβάνει έναν ηλεκτρικό κινητήρα και ένα σύστηµα parallel drive train το οποίο εξαλείφει τις άσκοπες απώλειες και συλλαµβάνει κάποια από την ενέργεια του φρεναρίσµατος (C) AFC, ένα όχηµα στοιχείων καυσίµου µε σύστηµα parallel drive train. Η ρύθµιση προϋποθέτει πάνω στο όχηµα αναµόρφωση της βενζίνης σε καύσιµο κατάλληλο για τη λειτουργία των ΡΕΜ στοιχείων καυσίµου. Η απόδοση για την παραγωγή βενζίνης από αργό πετρέλαιο είναι περίπου 73-91% (από το διυλιστήριο ως τις αντλίες των πρατηρίων). Χρησιµοποιώντας τα στοιχεία από την Toyota το 88% του πετρελαίου καταλήγει στην δεξαµενή του αυτοκινήτου. Από εκεί το 16% της ενέργειας της βενζίνης καταλήγει στους τροχούς ενός σύγχρονου αυτοκινήτου. Άρα η τελική απόδοση από την παραγωγή της βενζίνης µέχρι την κατανάλωσή της στους τροχούς του οχήµατος είναι 14%. Εδώ να αναφερθεί ότι η απόδοση του Toyota Prius είναι 28,8% και του Honda Insight 26,2% για την απόδοση TTW. Όσον αφορά στη σύγκριση για εξαγωγή συµπερασµάτων, σύµφωνα µε βιβλιογραφικές πηγές [18], η θερµική αξία ενός καυσίµου καθορίζεται από την ΚΘ, επειδή το νερό αποµακρύνεται από το θάλαµο καύσης σε µορφή ατµού µαζί µε τα άλλα αέρια προϊόντα της καύσης. Συνήθως οι πορείες που εξετάζονται είναι από την παραγωγή στην δεξαµενή του οχήµατος well-to-tank efficiency και η απόδοση από την δεξαµενή του οχήµατος στους τροχούς tank-to-wheel efficiency. Η ολική απόδοση βρίσκεται µε πολλαπλασιασµό των προηγουµένων, ήτοι WTW=WTK x TTW. Από τεχνολογία σε τεχνολογία υπάρχουν διαφορετικά σηµεία αναφοράς, δηλαδή τα στοιχεία που συνθέτουν τη µια τεχνολογία δεν είναι ίδια και σε κάποια άλλη µε αποτέλεσµα να πρέπει να ληφθούν υπόψη στις αποδόσεις. Ένα παράδειγµα αποτελεί το βάρος της µηχανής ή των στοιχείων καυσίµου για να εξαχθούν αντικειµενικώς συγκρίσιµα συµπεράσµατα. Κατανοεί, λοιπόν, κανείς ότι µια άµεση σύγκριση των τεχνολογιών δεν είναι και τόσο απλή. Όσον αφορά στην ανάλυση που προηγήθηκε θα αναφερθούν τα εξής : Η απόδοση του 50% υπολογίστηκε µεταξύ της θεωρητικής διαφοράς δυναµικού που θα εµφάνιζε το στοιχείο καυσίµου µε σηµείο αναφοράς το f H ο = 286 kj mol -1 του Η 2 Ο και της διαφοράς δυναµικού σε συνήθη λειτουργία. Οι αποδόσεις που έχουν αναφερθεί είναι µεταξύ της πρότυπης ενέργειας Gibbs προς την πρότυπη ενθαλπία σχηµατισµού (ήτοι µέγιστο έργο που µπορεί να παραχθεί από το σύστηµα προς την ενέργεια που εισέρχεται στο σύστηµα) και ο λόγος του έργου που παράγεται προς το µέγιστο έργο που µπορεί να παραχθεί (ήτοι το έργο λειτουργίας προς την πρότυπη ελεύθερη ενέργεια Gibbs). Χρησιµοποιώντας τον

18 τελευταίο λόγο και κάνοντας εκ νέου τους υπολογισµούς για την WTW απόδοση το αποτέλεσµα που προκύπτει είναι ~27% απόδοση για το υδρογόνο. Αν δεχτεί κανείς τα δεδοµένα των βιβλιογραφικών πηγών [27] για την απόδοση της ηλεκτρόλυσης στο 90%, τότε ο ανωτέρω βαθµός απόδοσης γίνεται ~35%. Να τονιστεί ότι ο βαθµός αυτός απόδοσης αναφέρεται από την παραγωγή του υδρογόνου µέχρι την κατανάλωσή του στους τροχούς του αυτοκινήτου και όχι µόνο από τη δεξαµενή του αυτοκινήτου στους τροχούς. Για τα πολύ αποδοτικά ντιζελοκίνητα οχήµατα η απόδοση είναι λίγο µεγαλύτερη του 25% [26]. 6. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Ένας από τους σηµαντικότερους παράγοντες για τη χρήση του υδρογόνου ως εναλλακτικό καύσιµο στο χρόνια που έρχονται είναι η αποδοτική αποθήκευσή του. Το υδρογόνο µπορεί να αποθηκευτεί σε τρεις µορφές : αέριο, υγρό και στερεό. Η έρευνα σε αυτό τον τοµέα δείχνει ότι το Η 2 µπορεί να αποθηκευτεί κυρίως µε τους ακόλουθους τρόπους : Α. Υψηλής πίεσης αποθηκευτικά συστήµατα Υδρογόνου Τα υψηλής πίεσης αποθηκευτικά συστήµατα είναι η πιο συνήθης και η πιο εξελιγµένη µέθοδος αποθήκευσης υδρογόνου. Τα πιο πολλά οχήµατα στοιχείων καυσίµου χρησιµοποιούν αυτόν τον τύπο αποθήκευσης. Το υψηλής πίεσης υδρογόνο αποθηκεύεται σε κυλίνδρους παρόµοιους µε αυτούς που αποθηκεύουν συµπιεσµένο φυσικό αέριο. Η κατασκευή τους πρέπει να είναι από υλικά υψηλής αντοχής µε χοντρά τοιχώµατα. Η συνήθης πίεση για την αποθήκευση αερίου υδρογόνου είναι µε psig µε ανώτερη τιµή αυτή των psig (χωρίς να σηµαίνει αυτό ότι δεν γίνονται πειράµατα µε µεγαλύτερες πιέσεις). Λόγω της υψηλής επικινδυνότητας λόγω των υψηλών πιέσεων αποθήκευσης γίνονται εξαντλητικοί έλεγχοι για την ασφάλεια αυτών των συστηµάτων. Να αναφερθεί ότι το κόστος της αποθήκευσης σε ενέργεια είναι περίπου 5% της κατώτερης θερµογόνου δύναµης του καυσίµου για συµπίεση µέχρι τα psig. Τα συστήµατα που αποθηκεύουν υγρό υδρογόνο ξεπερνούν πολλά από τα προβλήµατα βάρους και µεγέθους που αντιµετωπίζουν τα συστήµατα αποθήκευσης αέριου υδρογόνου, όµως σε κρυογονικές θερµοκρασίες. Το υγρό υδρογόνο µπορεί να αποθηκευτεί µόλις κάτω από το σηµείο βρασµού του που είναι -253 o C ή 20 Κ. Το υδρογόνο δεν µπορεί να αποθηκευτεί σε υγρή µορφή επάπειρον. Όλες οι δεξαµενές όσο καλά στεγανοποιηµένες και µονωµένες αν είναι επιτρέπουν θερµότητα να εισχωρήσει στο εσωτερικό τους από το περιβάλλον. Αυτή η διαρροή θερµότητας έχει ως αποτέλεσµα τη µερική εξάτµιση του υδρογόνου µε αποτέλεσµα την αύξηση της πίεσης στη δεξαµενή. Συνήθως η πίεση σε αυτές τις δεξαµενές είναι 5 bar και αν το υδρογόνο δεν καταναλωθεί γρήγορα, µια βαλβίδα ρυθµίζει τη διέξοδό του. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα όχι µόνο την απώλεια καυσίµου, αλλά και τον κίνδυνο να ξεσπάσει πυρκαγιά. Για αυτό το λόγο σε κλειστούς χώρους χρειάζεται πολύ καλός εξαερισµός. Το υδρογόνο µπορεί να εξαχθεί από τη δεξαµενή σε αέρια ή υγρή µορφή. Σε υγρή µορφή µπορεί να τροφοδοτηθεί άµεσα στους κυλίνδρους της µηχανής εσωτερικής καύσης, ενώ ως αέρια µορφή µπορεί να εξαχθεί µε µεγάλη πίεση για την τροφοδότηση των στοιχείων καυσίµου. Αν και οι κίνδυνοι που σχετίζονται µε τις υψηλές πιέσεις εξαλείφονται, δηµιουργούνται καινούριοι που σχετίζονται µε τις χαµηλές θερµοκρασίες. Υπάρχει περίπτωση υλικά που εκτίθενται σε τόσο χαµηλές θερµοκρασίες να γίνουν εύθραυστα. Επίσης ο αέρας σε τόσο χαµηλές θερµοκρασίες µπορεί να υγροποιηθεί κοντά στις δεξαµενές αποθήκευσης υδρογόνου µε τον κίνδυνο να ξεσπάσει πυρκαγιά. Επίσης η υγροποίηση του υδρογόνου είναι αρκετά ενεργοβόρος διαδικασία. Συνολικά απαιτείται το 40% της κατώτερης θερµογόνου δύναµης του υδρογόνου για την υγροποίησή του. Στην υγρή µορφή το υδρογόνο είναι ποιο εύκολο στη χρήση και στη µεταφορά του. Για την ποιο οικονοµική χρήση του υδρογόνου θα πρέπει από τη στιγµή που αποθηκεύεται να χρησιµοποιείται αµέσως. Β. Αποθήκευση Υδρογόνου σε µεταλλικά υδρίδια Τα συστήµατα αποθήκευσης µεταλλικών υδριδίων βασίζονται στην αρχή ότι κάποια µέταλλα απορροφούν το αέριο υδρογόνο κάτω από υψηλές πιέσεις και συνήθης θερµοκρασίες σχηµατίζοντας ενώσεις οι οποίες είναι τα µεταλλικά υδρίδια (στερεά). Τα µεταλλικά υδρίδια απελευθερώνουν αέριο υδρογόνο όταν θερµανθούν σε χαµηλές πιέσεις και σχετικά υψηλές θερµοκρασίες. Κατά µια έννοια τα µέταλλα συστέλλονται και απελευθερώνουν το υδρογόνο σαν ένα σφουγγάρι. Επειδή το υδρογόνο που απελευθερώνεται κατά αυτό τον τρόπο έχει χαµηλή πίεση, ενώ η όλη διαδικασία αποφεύγει πολύ υψηλές πιέσεις ή πολύ χαµηλές θερµοκρασίες, η µέθοδος αυτή αποθήκευσης κρίνεται η πιο ασφαλείς. Συνήθη κράµατα που χρησιµοποιούνται για αυτό το σκοπό είναι του µαγνησίου, του νικελίου, του σιδήρου και του τιτανίου. Κάποια από τα µειονεκτήµατα των µεταλλικών υδριδίων είναι το µεγάλο βάρος που πρέπει να έχουν ώστε να συγκρατούν ικανοποιητική ποσότητα υδρογόνου κάνοντας αυτές τις κατασκευές να έχουν µεγάλο κόστος, ενώ η φόρτισή τους µε µη καθαρό υδρογόνο µειώνει πολύ τη δυνατότητα αποθήκευσής τους. υστυχώς κανένα µεταλλικό υδρίδιο δεν έχει πολύ καλή απόδοση σε όλους τους τοµείς. Γ. Αποθήκευση Υδρογόνου σε νανοδοµές νανοσωλήνων άνθρακα (ν.ν.α.) Οι νανοδοµές νανοσωλήνων άνθρακα είναι γνωστές περισσότερο από 10 χρόνια. Είναι πρόκληση να γεµίσει κανείς τη

19 Σχήµα 13 : Σύγκριση αποθηκευτικών µεθόδων Υδρογόνου σωληνοειδή δοµή τους µε µέταλλα και αέρια. Ιδίως, η απορρόφηση του υδρογόνου σε µονού τοιχώµατος νανοσωλήνες άνθρακα έχει τραβήξει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών ανά τον κόσµο. Τα αποτελέσµατα που έχουν εκδοθεί για την ποσότητα του υδρογόνου που µπορεί να απορροφηθεί σε ν.ν.α. κυµαίνονται από 0,4 ως 67% κατά µάζα. Οι ν.ν.α. κατασκευάζονται από κυλινδρικά φύλλα γραφίτη, µε εσωτερική διάµετρο που ξεκινά από 0,7 νανόµετρα ως και µερικά νανόµετρα (συνήθως ως 3) και µήκος 10 ως 100 µικρόµετρα. Οι νανοσωλήνες που σχηµατίζονται µόνο από ένα φύλλο νανοσωλήνων ονοµάζονται µονού τοιχώµατος νανοσωλήνες (SWNT), ενώ υπάρχουν και οι νανοσωλήνες µε πολλά τοιχώµατα (MWNT). Οι τελευταίοι έχουν διάµετρο από 30 ως 50 νανόµετρα. Οι ίνες άνθρακα µε τους νανοσωλήνες άνθρακα είναι παρόµοια υλικά διαφέρουν όµως στην εσωτερική δοµή τους. Η ποσότητα του υδρογόνου που απορροφάται στην επιφάνεια και στην κοιλότητα των νανοσωλήνων άνθρακα είναι µεγαλύτερη για εκείνους µονού τοιχώµατος. Αρκετά µεγάλη ποσότητα υδρογόνου απορροφάται σε θερµοκρασίες υγρού αζώτου και σε πιέσεις υψηλότερες των 25 bar. Σε αυτές τις συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας παρουσιάζουν οι νανοδοµές άνθρακα υψηλότερη απόδοση από άλλα ανθρακούχα υλικά µε υψηλή επιφανειακή τάση. Πρακτικά µετά από προσεκτική µελέτη το ποσό του υδρογόνου που µπορεί να απορροφηθεί από ν.ν.α. είναι περίπου 8% κατά βάρος σε θερµοκρασίες δωµατίου. Το κόστος αυτών των δοµών σε µακροσκοπική κλίµακα µπορεί να φτάσει το 1$/κιλό[25]. Το κόστος των νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτάται από πολλές παραµέτρους και κυµαίνεται από 20 ως ευρώ ανά γραµµάριο σε τιµές 2003[28]. Ο στόχος της αυτοκινητοβιοµηχανίας για την αποθήκευση του υδρογόνου είναι 6% κατά βάρος του υδρογόνου. Αυτό ισοδυναµεί µε 5 κιλά υδρογόνου που χρειάζονται για να επιτευχθεί αυτονοµία 300 µιλίων. 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Αν και η παρούσα κατάσταση δεν είναι ιδιαιτέρως ενθαρρυντική για µια µετάβαση σε ένα ενεργειακό καθεστώς που θα βασίζεται στο Υδρογόνο, εντούτοις η δραστηριότητα γύρω από αυτό τον σκοπό όλο και αυξάνει, µιας και οι λόγοι που επιτάσσουν µια τέτοια αλλαγή είναι πολύ σηµαντικοί. Κάτι τέτοιο αναµφισβήτητα θα επηρεάσει και το αυτοκίνητο. Σήµερα ένα όχηµα που θα κινείτο µε στοιχεία καυσίµου θα κόστιζε περίπου 10 φορές περισσότερο από ένα αντίστοιχο συµβατικό. Το σηµαντικότερο στοιχείο για την αγορά ενός οχήµατος από τη στιγµή που κρίνεται ικανοποιητικό όσον αφορά στα λειτουργικά του χαρακτηριστικά είναι το κόστος του. Οι παρούσες τιµές των αυτοκινήτων στοιχείων καυσίµου είναι µεταξύ των 2000 και 6000 $ ανά kw. Ο στόχος που πρέπει να φτάσουν τα αυτοκίνητα µε τη συγκεκριµένη τεχνολογία είναι τα 50 µε 100 $ ανά kw, τιµή που θα ανταποκρίνεται σε όλη τη διάρκεια ζωής του αυτοκινήτου. Η συνολική επένδυση για τη µετάβαση σε εγκαταστάσεις που θα παρέχουν υδρογόνο αντί βενζίνης ανέρχεται στα 1 ως 5 τρισεκατοµµύρια δολάρια. Ένα άλλο σηµαντικό στοιχείο για τα οχήµατα είναι η αυτονοµία την οποία αυτά προσφέρουν. Τα 400 µε 500 χιλιόµετρα είναι το αποδεκτό όριο το οποίο θα πρέπει να πληροί ένα όχηµα ή αλλιώς 300 µίλια. Τα αυτοκίνητα στοιχείων καυσίµου έχουν καταφέρει να εκπληρώσουν αυτό το στόχο, ενώ όσο η τεχνολογία γίνεται πιο οικεία τόσο πιο µεγάλη αυτονοµία θα επιτυγχάνεται. Η απάντηση στο ερώτηµα για το πώς θα µοιάζει το αυτοκίνητο 25 µε 50 χρόνια από σήµερα είναι πολύ δύσκολη. Εντούτοις η εκτίµηση που µπορεί να γίνει για τις επιµέρους τεχνολογίες που θα το περιβάλλουν είναι ότι θα είναι πιο

20 αυτοµατοποιηµένο. Τα υλικά που θα αποτελούν το αυτοκίνητο θα είναι στην πλειοψηφία τους πολυµερή και θα προέρχονται σε µεγάλο βαθµό από τη Βιόµαζα. Η µηχανή του µέλλοντος θα είναι στοιχεία καυσίµου ενώ η αποθήκευση του Υδρογόνου θα γίνεται σε νανοδοµές νανοσωλήνων άνθρακα. Το Υδρογόνο θα προέρχεται σε µεγάλο ποσοστό από Α.Π.Ε.. Όσον αφορά στον ελληνικό χώρο η δραστηριότητα του Κ.Α.Π.Ε. στο νησί της Μήλου για τη λειτουργία του πρώτου ελληνικού νησιού Υδρογόνου, αλλά και την κίνηση οχηµάτων µε στοιχεία καυσίµου αποτελούν ελπιδοφόρες κινήσεις. Πολύ ενδιαφέρουσα θα ήταν η κατασκευή ενός δεύτερου ελληνικού αυτοκινήτου σε συνεργασία της ΕΛ.ΒΟ και του κυρίου Βαρτσιώτη, αυτή τη φορά όµως µε στοιχεία καυσίµου αντί για µηχανή εσωτερικής καύσης. 8. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Ν. Βασιλάκης, Ν.Σ. Ζαλµάς, Σπ. Κωστόπουλος, Ε. Παπαθέου, Γ. Σταµάτης, , 100 χρόνια αυτοκίνητο, Πήγασος Εκδοτική & Εκτυπωτική, Αθήνα 1999 [2] Λευκή Βίβλος, Ευρωπαϊκή Πολιτική των Μεταφορών για το 2010 : Κρίσιµη Ώρα για Αποφάσεις, Λουξεµβούργο 2001, pp. 2-3, 11-16, 23-24, [3] Πράσινη Βίβλος, Προς µια Ευρωπαϊκή Στρατηγική για την Ασφάλεια της Ενεργειακής Παροχής, Λουξεµβούργο 2001, pp. 3, 11-12, [4] J. Rifkin, Η οικονοµία του Υδρογόνου, (Η ηµιουργία του Παγκόσµιου Ενεργειακού Ιστού και η Ανακατανοµή της Εξουσίας στη Γη, Η επόµενη Μεγάλη Οικονοµική Επανάσταση), Αθήνα 2003, Εκδόσεις Λιβάνη [5] Έκθεση Οµάδας Εργασίας Ενέργεια, Τεχνολογική & Προοπτική ιερεύνηση στην Ελλάδα, Αθήνα 2004, pp , 31, 35, 36 [6] Εθνικό Σχέδιο Κατανοµής ικαιωµάτων Εκποµπών για την Περίοδο , Ελληνική ηµοκρατία, Υ.ΠΕ.ΧΩ. Ε., εκέµβριος 2004 pp. 5-7, 9-10, 18-21, 30 [7] Ενέργεια και Μεταφορές Αναφορά , Λουξεµβούργο 2004, pp. 1, 88-90, 92 [8] Br. johnston, M. C. Mayo, A. Khare, Hydrogen : The Energy Source for the 21 st Century, Journal of Technovation, Vol. 25, No 6, June 2005, pp [9] K. Maniatis, Pathways for the Production of Bio-hydrogen : Opportunities and Challenges, EU, Paris 3/3/2003 pp. 6 [10] S. Hester, K. Hall, Hydrogen Safety Basics for Current and Planned Applications, US Hydrogen Association, Μάιος 2003, pp. 6, 10,18,20 [11] Ε. Ζούλιας, Ν. Λυµπερόπουλος, Ε. Βαρκαράκη, Υδρογόνο : Ο Ενεργειακός Φορέας του Μέλλοντος, Κ.Α.Π.Ε., pp. 1-5, 8 [12] Trygve Riis, Elisabet Hagen, Hydrogen Production Gaps and Priorities, IEA HIA Μάρτιος 2005, pp [13] T. Lipman, What Will Power the Hydrogen Economy? Present and Future Sources of Hydrogen Energy, University of California Davis, 12 Ιουλίου 2004, pp. v-xi, 1-16, 18-19, 21-24, 26-27, [14] Ch. Forsberg, Hydrogen Futures and Technologies, Rohsenow Symposium on Future Trends in Heat Transfer Massachusetts Institute of Technology Απρίλιος 2004, pp. 6 [15] Ε. Ζούλιας, Ε. Βαρκαράκη, Ν. Λυµπερόπουλος, State of the Art on Electrolysis, European Commission EESD, 2001, pp. 7-10, [16] Wade A. Amos, Updated Cost Analysis of Photobiological Hydrogen Production from Chlamydomonas Reinhardtii Green Algae, NREL Ιανουάριος 2004, pp. 4, [17] Thomas A. Milne, Carolyn C. Elam and Robert J. Evans, Hydrogen from Biomass, State of the Art and Research Challenges, U.S. R.E.L., 2002, pp. 1-3 [18] Α. Παπαϊωάννου, Ενεργειακή και Εξεργειακή Ανάλυση ιεργασιών, Σχολή Χηµικών Μηχανικών 1997 [19]. Τασιός, Εφαρµοσµένη Θερµοδυναµική Χηµικής Μηχανικής, Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις Ε.Μ.Π [20] College of the Desert, Hydrogen Use, 12/2001, pp [21] A. Sarkar, R. Banerjee, Net Energy Analysis of Hydrogen Storage Options, International Journal of Hydrogen Energy, Vol.30, No8, July 2005, pp [22] Α. Zuettel et al, Hydrogen Storage in Carbon Nanostructures, International Journal of Hydrogen Energy, Vol.27, No2, February 2002, pp [23] B. Tarasov et al, Hydrogen Sorption Properties of Arc Generated Single-Wall Carbon Nanotubes, Journal of Alloys and Compounds, Volumes , August 2003, pp [24] Fuel Cell Catalyst Publication, vol.2, no2, Χειµώνας 2002, pp. 1-4 [25] A. Dillon et al, Hydrogen Storage in Carbon Single-Wall Nanotubes, Nrel 2002, pp. 1-5, 7-12 [26] U. Bossel, Efficiency of Hydrogen Fuel Cell, Diesel-SOFC-Hybrid and Battery Electric Vehicles, European Fuel Cell Forum, 20 Οκτωβρίου 2003, pp. 1-4 [27] A. Bisio, Sh. Boots, R. Meyers, Encyclopedia of Energy Technology and the Environment, John Wiley & Sons 1995, pp [28]