ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΩΣ ΦΟΡΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΓΡΤΜΑ ΚΑΒΑΛΑ ΣΜΗΜΑ ΗΛΔΚΣΡΟΛΟΓΙΑ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΩΣ ΦΟΡΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΣΤΥΙΑΚΗ ΔΡΓΑΙΑ ΥΗΡΑ ΥΡΗΣΟ ΔΠΙΒΛΔΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΣΗ : ΜΑΤΡΙΓΗ ΚΩΝΣΑΝΣΙΝΟ ΚΑΒΑΛΑ 2009

2 1. ΔΗΑΓΧΓΖ Γεληθά Γηαηί Σν Τδξνγφλν; Ηζηνξηθή Αλαδξνκή ΟΗΚΟΝΟΜΗΑ ΣΟΤ ΤΓΡΟΓΟΝΟΤ Δηζαγσγή Φπζηθέο Ηδηφηεηεο Τδξνγφλνπ Υεκηθέο Ηδηφηεηεο Τδξνγφλνπ Παξαζθεπή Καη Υξήζεηο Τδξνγφλνπ Σν Τδξνγφλν Αο Φνξέαο Δλέξγεηαο χγθξηζε Ηδηνηήησλ Τδξνγφλνπ Καη Φπζηθνχ Αεξίνπ Πιενλεθηήκαηα Έλαληη πκβαηηθψλ Πεγψλ Δλέξγεηαο Μεηνλεθηήκαηα Έλαληη πκβαηηθψλ Πεγψλ Δλέξγεηαο ΜΔΘΟΓΟΗ ΠΑΡΑΚΔΤΖ ΤΓΡΟΓΟΝΟΤ Αλακφξθσζε Μεζαλίνπ Με Αηκφ (SMR) Μεξηθή Ομείδσζε Σσλ Βαξέσλ Τδξνγνλαλζξάθσλ Παξαγσγή Τδξνγφλνπ Απφ Βηνκάδα Παξαγσγή Τδξνγφλνπ - ζεξκνρεκηθέο κέζνδνη Παξαγσγή Τδξνγφλνπ - Βηνινγηθνί Μέζνδνη Φσηνβηνινγηθή Παξαγσγή Άκεζε Βηνθσηφιπζε Έκκεζε Βηνθσηφιπζε Φσηνειεθηξφιπζε Ζιεθηξφιπζε Νεξνχ πζθεπέο Ζιεθηξφιπζεο Αιθαιηθέο Ζιεθηξνιπηηθέο Μνλάδεο Ζιεθηξνιπηηθέο Μνλάδεο Αληαιιαγήο Πξσηνλίσλ (PEM) ηεξενχ Ομεηδίνπ Ζιεθηξνιπηηθέο Μνλάδεο ΑΠΟΘΖΚΔΤΖ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ Δηζαγσγή Απνζήθεπζε Σνπ Τδξνγφλνπ ε Αέξηα Μνξθή Απνζήθεπζε Σνπ Τδξνγφλνπ ε Τγξή Μνξθή Απνζήθεπζε Σνπ Τδξνγφλνπ ε ηεξεά Μνξθή Με Σελ Μνξθή Σσλ Τδξηδίσλ Κξπνγεληθέο πλζήθεο Απνζήθεπζεο χγθξηζε Σσλ Μεζφδσλ Απνζήθεπζεο Σνπ Τδξνγφλνπ Παιαηφηεξα Αηπρήµαηα Με Τδξνγφλν ΚΤΦΔΛΔ ΚΑΤΗΜΟΤ Δηζαγσγή Ηζηνξία Σσλ Κπςειψλ Καπζίκνπ Αξρή Λεηηνπξγίαο Κπςέιεο Καπζίµνπ Σχπνη Κπςέισλ Καπζίµνπ Κπςέιε Καπζίµνπ Πνιπµεξηζµέλεο Μεµβξάλεο (PEM) Κπςέιε Καπζίµνπ Μεζαλφιεο (DMFC) Αιθαιηθή Κπςειίδα Καπζίµνπ, Alkaline Fuel Cell (AFC) Κπςειίδα Καπζίµνπ Φσζθνξηθνχ Ομένο, Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Κπςειίδα Καπζίµνπ ηεξενχ Ομεηδίνπ, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Κπςειίδα Καπζίµνπ Σεγµέλνπ Αλζξαθηθνχ Άιαηνο, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Αλαιπηηθή Πεξηγξαθή Σεο PEM Κπςέιεο... 66

3 5.5.1 Μεµβξάλε Κπςέιεο Ζιεθηξφδηα Κπςέιεο Καηαιχηεο Κπςέιεο ηαρείξηζε Νεξνχ Απφδνζε Κπςέισλ Καπζίµνπ Θεσξεηηθή Πξνζέγγηζε Πξαθηηθή Πξνζέγγηζε Αλαµνξθσηέο Ρφινο Αλαµνξθσηψλ Δλδφζεξµε Αλαµφξθσζε Αηµνχ Δμψζεξµε Μεξηθή Ομείδσζε Απηνζεξµηθή Αλαµφξθσζε Απνµάθξπλζε Μνλνμεηδίνπ Σνπ Άλζξαθα Θεσξεηηθφο Τπνινγηζµφο Μέγηζηεο Σάζεο Καη Ρπζµνχ Παξαγσγήο Θεξµφηεηαο Τπνινγηζµφο Σάζεο Ηδαληθήο Κπςέιεο Καπζίµνπ Τπνινγηζµφο Ρπζµνχ Παξαγσγήο Θεξµφηεηαο ηήιε Κπςέισλ Καπζίµνπ Μεµβξάλεο Πνιπµεξνχο Ζιεθηξνιχηε Δθαξµνγέο Κπςέισλ Καπζίµνπ Μεηαθνξά Οηθηζηηθή Καη Πξνζσπηθή Υξήζε Βηνµεραλία ΠΡΟΟΠΣΗΚΔ ΠΑΡΑΓΔΗΓΜΑΣΑ ΔΦΑΡΜΟΓΧΝ Σν Μέιινλ Σνπ Τδξνγφλνπ Έξεπλα Καη Αλάπηπμε Παγθνζκίσο Ζ Δηνηκφηεηα Σεο Διιάδαο Δξεπλεηηθά Πξνγξάκκαηα Τδξνγφλνπ Πνπ Δμειίζζνληαη ήκεξα ηελ Διιάδα Τινπνίεζε Καη Σα Πξψηα Απνηειέζκαηα Απφ Μνλάδα Παξαγσγήο Τδξνγφλνπ Απφ Αηνιηθή Δλεξγεία Διιεληθφ Νεζί Τδξνγφλνπ Τδξνγφλν «Made In Greece» Διιεληθφ Λεσθνξείν Τδξνγφλνπ Θεζκηθφ Πιαίζην Γηα Α.Π.Δ. Καη Τδξνγφλν ΔΠΗΛΟΓΟ ΒΗΒΛΗΟΓΡΑΦΗΑ

4 1. ΔΗΑΓΧΓΖ 1.1 Γεληθά Ζ αλαπφθεπθηε κειινληηθή εμάληιεζε ησλ νξπθηψλ θαπζίκσλ (πεηξέιαην, θάξβνπλν, θπζηθφ αέξην) ζε ζπλδπαζκφ µε ηελ έθιπζε ξχπσλ θαηά ηε ρξήζε ηνπο γηα παξαγσγή ελέξγεηαο θαζηζηνχλ επηηαθηηθή ηελ αλάγθε γηα έλα θνξέα ελέξγεηαο πνπ ζα είλαη επξέσο δηαζέζηκνο, ελψ παξάιιεια δελ ζα ξππαίλεη. Σέηνηνη θνξείο ελέξγεηαο ζα κπνξνχζαλ λα απνηειέζνπλ ν ειεθηξηζκφο, ηα βηνθαχζηµα φπσο ε αηζαλφιε ή ην πδξνγφλν. Σν πδξνγφλν είλαη ην πιένλ δηαδεδνκέλν ζηνηρείν ζηελ θχζε, είλαη πςειήο δξαζηηθφηεηαο θαη επνκέλσο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ζε πιήζνο µνξθψλ θαχζεο. Δάλ δελ έρεη παξαρζεί απφ ην λεξφ, ηφηε κπνξεί λα θαεί ρσξίο εθπνκπέο ξχπσλ. ήκεξα φκσο ην πδξνγφλν δελ απνηειεί επίιεθην ελεξγεηαθφ θνξέα, γηαηί παξνπζηάδεη θαη µεηνλεθηήµαηα. Πξέπεη λα παξαρζεί θάλνληαο ρξήζε θάπνηαο άιιεο µνξθήο ελέξγεηαο, είλαη δχζθνιν λα ππνζεθεπζεί ζε µνξθή µε πςειή ελεξγεηαθή ππθλφηεηα θαη γεληθά ζεσξείηαη επηθίλδπλν. Οη θπξηφηεξεο εκπνξηθέο κέζνδνη παξαγσγήο πδξνγφλνπ είλαη: - ε αλακφξθσζε πδξνγνλαλζξάθσλ µε αηκφ, θπξίσο Φ.Α. (θφζηνο 5$/GJ). - ε µεξηθή νμείδσζε αεξηνπνίεζε βαξεηψλ πδξνγνλαλζξάθσλ ή θάξβνπλνπ (13 $/GJ) - ε ειεθηξφιπζε ηνπ λεξνχ (12 $/GJ). Γηα ηελ παξαγσγή πδξνγφλνπ απφ αλακφξθσζε πδξνγνλαλζξάθσλ, θαηαλαιψλεηαη πεξίπνπ ην 20-30% ηνπ πδξνγνλάλζξαθα γηα ηελ παξαγσγή ηεο ελέξγεηαο πνπ απαηηείηαη γηα ηε δηαδηθαζία θαη εθιχνληαη ζπλεπψο αέξηα ηνπ «ζεξκνθεπίνπ». Σν πξφβιεκα ηεο ξχπαλζεο πθίζηαηαη θαη ζηελ πεξίπησζε ηεο ειεθηξφιπζεο, εθφζνλ ε ειεθηξηθή ελέξγεηα πξνέξρεηαη απφ νξπθηά θαχζηκα. ηαλ φκσο ε ειεθηξηθή ελέξγεηα παξάγεηαη απφ Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο, ηφηε θαηά ηε παξαγσγή ηνπ πδξνγφλνπ δελ εθιχνληαη ξχπνη. Μέρξη ζήκεξα ην πδξνγφλν έρεη θπξίσο βηνκεραληθή ρξήζε ελψ νη ελεξγεηαθέο ρξήζεηο ηνπ απνηεινχλ ειάρηζην πνζνζηφ. Ζ βηνκεραλία αµµσλίαο θαηαλαιψλεη ην 50% ηνπ

5 παξαγνκέλνπ πδξνγφλνπ θαη ηα δηπιηζηήξηα ην 37%. εκαληηθέο θαηαλαιψζεηο έρεη θαη ε βηνκεραλία ηξνθίκσλ (πδξνγφλσζε ειαίσλ). Σν πδξνγφλν κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί ζαλ ελαιιαθηηθφ θαχζηκν ζε πιήζνο (θαηάιιεια ηξνπνπνηεκέλσλ) ηερλνινγηψλ θαχζεο, φπσο θαηαιπηηθνχο θαπζηήξεο, ιέβεηεο αεξίνπ, αεξνζηξφβηινπο θαη θηλεηήξεο εζσηεξηθήο θαχζεο. Ζ θαχζε ηνπ πδξνγφλνπ παξάγεη λεξφ αιιά ιφγσ ησλ πςειψλ ζεξκνθξαζηψλ θαχζεο, παξάγνληαη θαη νμείδηα ηνπ αδψηνπ. Οη θπςειίδεο θαπζίκνπ απνηεινχλ µία ζρεηηθά πξφζθαηε ηερλνινγία θαηά ηελ νπνία µέζσ ειεθηξνρεκηθήο αληίδξαζεο επηηπγράλεηαη παξαγσγή ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο, µε µφλν ππνπξντφλ ην λεξφ. Ζ ιεηηνπξγία ηεο είλαη αληίζηξνθε απφ απηή µίαο ειεθηξνιπηηθήο κνλάδαο θαη πξνζνκνηάδεη ηελ ιεηηνπξγία µίαο κπαηαξίαο, µε ηελ δηαθνξά φηη δελ έρεη ηνλ πεξηνξηζκφ ηεο εμάληιεζεο ηνπ θαπζίκνπ µία θαη ην θαχζηκν (πδξνγφλν) θαη ην νμεηδσηηθφ (αέξαο ή νμπγφλν) εηζάγνληαη ζπλερψο ζηελ άλνδν θαη ηελ θάζνδν θαη ηα πξντφληα(ειεθηξηθή ελέξγεηα θαη λεξφ) απνκαθξχλνληαη. Τπφ απηφ ην ζθεπηηθφ, ε Δπξσπατθή βηνκεραλία έρεη επηδνζεί ζε έλαλ αγψλα δξφκνπ γηα λα πιεζηάζεη ηηο ΖΠΑ θαη ηελ Ηαπσλία ζηηο ηερλνινγίεο γηα παξαγσγή ρξήζε πδξνγφλνπ. Οξηζκέλεο ρψξεο πινχζηεο ζε δπλακηθφ ΑΠΔ φπσο ε Ννξβεγία θαη ε Ηζιαλδία, έρνπλ μεθηλήζεη ζεκαληηθά εζληθά πξνγξάµµαηα γηα ηελ παξαγσγή, ρξήζε θαη εμαγσγή πδξνγφλνπ ζε άιιεο ρψξεο. ε απηφ ην αληαγσληζηηθφ πεξηβάιινλ, είλαη πνιχ εχθνιν ε Διιάδα λα κείλεη θαη πάιη νπξαγφο θαη ελ ηέιεη απνδέθηεο ηερλνινγηψλ πνπ ζα παξάγνληαη ζην εμσηεξηθφ. Καη φκσο ηµήµαηα ηνπ εμνπιηζκνχ γηα ηελ παξαγσγή (ειεθηξνιπηηθή κνλάδα) θαη ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ (θπςειίδεο θαπζίκνπ), ζα µπνξνχζαλ λα θαηαζθεπαζηνχλ ζηελ Διιάδα. Δπηπιένλ εθηηκάηαη φηη ζηελ επνρή ηνπ πδξνγφλνπ, ε Διιάδα ζα κπνξεί λα παίμεη έλαλ ζεκαληηθφ ξφιν ζαλ πξνκεζεπηήο ηνπ θαπζίκνπ απηνχ, µία θαη είλαη πξνηθηζκέλε µε πινχζην δπλακηθφ ΑΠΔ. 1.2 Γηαηί Σν Τδξνγόλν; Σν πδξνγφλν πνπ παξάγεηαη απφ Αλαλεψζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο (ΑΠΔ) είλαη ζχκθσλα µε ηνπο πεξηβαιινληνιφγνπο ην ηδαληθφ θαχζηκν, αθνχ δελ ππάξρεη πεξηβαιινληηθφ θφζηνο

6 ζηελ παξαγσγή θαη ρξήζε ηνπ, φηαλ ρξεζηκνπνηείηαη αηνιηθή ή ειηαθή ελέξγεηα. Ζ µφλε έθιπζε ξχπσλ ππάξρεη θαηά ηελ θαηαζθεπή, κεηαθνξά θαη εγθαηάζηαζε ησλ ηερλνινγηψλ κεηαηξνπήο ηεο αηνιηθήο (αλεµνγελλήηξηεο) ή ειηαθήο (Φ/Β) ελέξγεηαο θαη ίζσο ηεο ελέξγεηαο γηα ηελ κεηαθνξά ηνπ πδξνγφλνπ. Δπίζεο ην πδξνγφλν δελ βιάπηεη ην πεξηβάιινλ νχηε επεξεάδεη ην ζηξψκα ηνπ φδνληνο, ελψ ηα πξντφληα ηεο θαχζεο ηνπ, δελ πεξηέρνπλ ζσκαηίδηα (αηζάιε) ή CO 2. Ζ παξαγσγή, κεηαθνξά θαη ρξήζε ελέξγεηαο επζχλνληαη γηα ην κεγαιχηεξν µέξνο ηεο ξχπαλζεο ηνπ πεξηβάιινληνο. Έρνπλ γίλεη πξνζπάζεηεο ζην παξειζφλ λα απνηηκεζεί ε αμία απηήο ηεο ξχπαλζεο, θπξίσο µε θφζηε πνπ πιεξψλνληαη έµµεζα, φπσο έμνδα λνζειείαο, αζθάιηζεο. Σν θφζηνο ηνπ CO 2 ζηελ θιηκαηηθή κεηαβνιή εθηηκάηαη ζε 25 δηο $ ην έηνο θαη ην πεξηβαιινληηθφ θφζηνο απφ ηελ άληιεζε, κεηαθνξά θαη δηαξξνή πεηξειαίνπ ζε 9 δηο $ αλά έηνο. Άκεζα θφζηε λνζνθνκεηαθήο πεξίζαιςεο ζηηο ΖΠΑ, άκεζα ζρεηηδφµελεο µε ηε ξχπαλζε ηνπ πεξηβάιινληνο, αλέξρεηαη ζε 20 έσο 50 δηο $ αλά έηνο. πµπεξαζµαηηθά ην εμσηεξηθφ θφζηνο ηεο ελέξγεηαο πξέπεη παγθφζκηα λα αλέξρεηαη ζε εθαηνληάδεο δηο $ αλά έηνο, πξάγκα ην νπνίν απνθηά θαη πνιηηηθή ζεκαζία. Ζ παξαγσγή θαη ρξήζε πδξνγφλνπ απφ ΑΠΔ, ζε µία αλαλεψζηκε νηθνλνκία πδξνγφλνπ, ζα νδεγνχζε ζε ζεκαληηθή µείσζε απηνχ ηνπ θφζηνπο. Απηφ είλαη ηδηαίηεξα ζεκαληηθφ γηα αλαπηπζζφκελεο νηθνλνκίεο, φπσο απηή ηεο Κίλαο ή ηεο Ηλδίαο, φπνπ εάλ θάπνηα ζηηγκή θηάζνπλ ην βηνηηθφ επίπεδν θαη ηελ θαηά θεθαιήλ παξαγσγή CO 2 ησλ πξνεγκέλσλ θξαηψλ, ηφηε φπνηα νθέιε απφ ηα κεηξά µείσζεο ηνπ CO 2 (Κηφην) ζα αλαηξαπνχλ πιήξσο. Πξαθηηθά νη κνλαδηθνί ελεξγεηαθνί θνξείο πνπ µπνξνχλ ζπλεξγαδφµελνη λα ηθαλνπνηήζνπλ φιεο ηηο αλάγθεο ησλ θαηαλαισηψλ ελέξγεηαο, ρσξίο ε ρξήζε ηνπο λα εκπιέθεη θαχζε άλζξαθα, είλαη ν ειεθηξηζκφο θαη ην πδξνγφλν. ζνλ αθνξά ηνπο ηνκείο ζηνπο νπνίνπο ζα θπξηαξρήζεη θαζέλαο απφ απηνχο ηνπο ελεξγεηαθνχο θνξείο, αλακέλεηαη φηη ν ειεθηξηζκφο ζα δηαηεξήζεη ηα πεδία ζηα νπνία ήδε εθαξκφδεηαη, δειαδή θσηηζκφ, πιεξνθνξηθή θαη ηειεπηθνηλσλίεο, ελψ ην πδξνγφλν ζα ρξεζηκνπνηεζεί ζε ηνκείο εθαξκνγψλ ησλ πγξψλ θαπζίκσλ, κεηαθνξέο, ζέξκαλζε θηι.). ε πνιιέο πεξηπηψζεηο φκσο ε επηινγή ηνπ θαηαιιειφηεξνπ ελεξγεηαθνχ θνξέα, ζα γίλεηαη µε βάζε εηδηθέο ζπλζήθεο πνπ επηθξαηνχλ ζηελ θάζε πεξηνρή (π.ρ. χπαξμε ή φρη δηθηχνπ ειεθηξνδφηεζεο, θφζηνο ζπληήξεζεο ηνπ θ.α.).

7 1.3 Ηζηνξηθή Αλαδξνκή Σν πδξνγφλν αλαθαιχθζεθε ην 1766 απφ ηνλ H.Cavendish θαη ραξαθηεξίζηεθε ζαλ "εχθιεθηνο αέξαο". Σν 1800 δχν Βξεηαλνί επηζηήκνλεο ήηαλ νη πξψηνη πνπ επέδεημαλ ηελ ειεθηξφιπζε. Σν 1920 θαη ην 1930 ππήξρε ζεκαληηθφ ελδηαθέξνλ ζηελ Αγγιία θαη ηελ Γεξκάληα γηα ηελ ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ ζαλ θαχζηκν. Σν 1923 ν θνηζέδνο J.B.S.Haldane αλαθέξεη ζε δεκνζίεπζε ηνπ φηη ην πδξνγφλν είλαη ην θαχζηκν ηνπ κέιινληνο, ην νπνίν ζα παξάγεηαη απφ αλεµφµπινπο πνπ ζα παξάγνπλ ειεθηξηθή ελέξγεηα θαη ζα δηαζπνχλ ην λεξφ ειεθηξνιπηηθά ζε πδξνγφλν θαη νμπγφλν. Σν πδξνγφλν ζα απνζεθεχεηαη ζε δεμακελέο µε πεξίβιεκα θελνχ θαη ζα ρξεζηκνπνηείηαη ζε "νμεηδσηηθέο θπςειίδεο", ηελ πξφζθαηε ηφηε εθεχξεζε ηνπ Sir William Grove. Ζ πξψηε πξαθηηθή ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ ήηαλ γηα αλχςσζε αεξφζηαησλ, Μέρξη ηηο 6 Μαΐνπ 1937 είραλ µεηαθεξζεί µε αεξφζηαηα θαη αεξφπινηα άηνµα ρσξίο θαµία ζλεζηκφηεηα, ηελ εκέξα απηή φκσο ζπλέβε ην αηχρεκα ηνπ αεξφπινηνπ Hindenbourg. Απφ ηφηε ην πδξνγφλν έρεη ραξαθηεξηζηεί επηθίλδπλν ζην µχαιν ηνπ θφζκνπ. Αο ζεκεησζεί φηη ην πδξνγφλν δελ εμεξξάγε παξά θάεθε γξήγνξα θαη ην Zeppelin έπεζε αξγά ζην έδαθνο, φζνη επηβάηεο κείλαλε κέζα ζην φρεκα έδεζαλ, λεθξνί ήηαλ φζνη εγθαηέιεηςαλ ην αεξφζηαην απφ κεγάιν χςνο. Έλα αθφκε ζεκαληηθφ ζηνηρείν είλαη φηη ζηα Zeppelin ην πδξνγφλν ρξεζηκνπνηείην ηφζν γηα αλχςσζε φζν θαη γηα πξνψζεζε, µία θαη ην ρξεζηκνπνηνχζαλ ζηνπο θηλεηήξεο ζαλ θαχζηκν. Με απηφ ηνλ ηξφπν ε άλσζε ηνπ αεξφπινηνπ παξέκελε ζηαζεξή παξά ηελ µείσζε ηεο πνζφηεηαο ησλ θαπζίκσλ. εκαληηθή έξεπλα ( ) γηα ηελ ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ ζηηο κεηαθνξέο έθαλε ν Γεξκαλφο κεραληθφο Rudolf Erren ν νπνίνο κεηέηξεςε πιήζνο θηλεηήξσλ γηα λα θαίλε πδξνγφλν µε εθαξκνγέο ζε απηνθίλεηα ή θνξηεγά ή ηξέλα. Μειέηεζε αθφκα θαη ηνξπίιεο πνπ θαίλε πδξνγφλν γηα λα µελ αθήλνπλ πίζσ ηνπο ίρλνο απφ ηα θαπζαέξηα ησλ ζπκβαηηθψλ θηλεηήξσλ ηνπο. Υάξε ζηελ αθζνλία θαη ρακειή ηηκή ηνπ πεηξειαίνπ µεηά ηνλ Β' Παγθφζκην Πφιεκν, ην πδξνγφλν πεξηνξίζηεθε ζε ελεξγεηαθέο εθαξκνγέο εξγαζηεξηαθήο θιίκαθαο. Ζ πξψηε ρξήζε θπςειίδσλ θαπζίκνπ µε θαζαξφ πδξνγφλν έγηλε ην 1965 απφ ηελ NASA. Οη απνζηνιέο Gemini θαη Apollo ρξεζηκνπνηνχζαλ πγξνπνηεκέλν πδξνγφλν θαη νμπγφλν γηα

8 πξνψζεζε ζηνπο ππξαχινπο ηνπο αιιά θαη γηα παξαγσγή ηζρχνο ζε θπςειίδεο θαπζίκνπ, µε ηαπηφρξνλε παξαγσγή ηνπ πνζίκνπ λεξνχ ησλ αζηξνλαπηψλ. Απφ ηελ δεθαεηία ηνπ 70 θαη µεηά ην πδξνγφλν ρξεζηκνπνηείηαη πεηξακαηηθά ζηηο κεηαθνξέο απφ δηάθνξνπο θαηαζθεπαζηέο, είηε ζε ΚΔΚ ή ζε θπςειίδεο θαπζίµσλ, φπσο παξνπζηάδεηαη κε πεξηζζφηεξε ιεπηνκέξεηα ζηελ ζπλέρεηα.

9 2. ΟΗΚΟΝΟΜΗΑ ΣΟΤ ΤΓΡΟΓΟΝΟΤ 2.1 Δηζαγσγή Ζ απμαλφκελε κφιπλζε ηεο αηκφζθαηξαο απφ ηνπο αέξηνπο ξχπνπο, πνπ παξάγνληαη απφ ηελ θαχζε ησλ δηαθφξσλ ηχπσλ θαπζίκσλ, νδήγεζε ζηελ ζέζπηζε απζηεξψλ θαλφλσλ ζρεηηθά κε ηελ πνηφηεηα ησλ θαπζαεξίσλ, θπξίσο ζηηο αλαπηπγκέλεο ρψξεο. Δπηπιένλ ε ζεσξία ηνπ ζεξκνθεπίνπ, πνπ ζρεδφλ έρεη επηθξαηήζεη φηη ηζρχεη, νδήγεζε ζηελ ελνρνπνίεζε θαη ηνπ δηνμεηδίνπ ηνπ άλζξαθα, θάηη πνπ πξαθηηθά ζεκαίλεη φηη θάζε θαχζηκν πνπ πεξηέρεη άλζξαθα (θαη θαίγεηαη έζησ θαη κε ηέιεηα θαχζε) είλαη θαη ξππαληήο. Αθφκε ε ηηκή ησλ θαπζίκσλ απηψλ απμάλεηαη ζπλερψο θαη ππάξρεη ε άπνςε ηεο ζρεηηθά γξήγνξεο εμάληιεζεο ησλ απνζεκάησλ ηνπο. ια απηά νδήγεζαλ ζηελ ζθέςε ηεο αληηθαηάζηαζεο ησλ ζπκβαηηθψλ θαπζίκσλ αιιά κε ηη; Ζ κηα άπνςε είλαη ε ππξεληθή ελέξγεηα. Σα ππξεληθά θαχζηκα δελ παξάγνπλ δηνμείδην ηνπ άλζξαθα, ζεσξεηηθά δελ παξάγνπλ ηίπνηα πνπ λα ξππαίλεη ηελ αηκφζθαηξα (φηαλ φια πάλε θαιά). Δπηπιένλ είλαη κηα κέζνδνο παξαγσγήο ελέξγεηαο κε κεγάιε ζπγθέληξσζε ηζρχνο ζρεηηθά νηθνλνκηθή θαη κε ππάξρνπζα ηερλνγλσζία. Παξάγεη φκσο επηθίλδπλα ξαδηελεξγά θαηάινηπα θαη ζε πεξίπησζε αηπρήκαηνο, νη επηπηψζεηο ζηελ αλζξψπηλε δσή θαη ην πεξηβάιινλ είλαη νιέζξηεο. Αθφκε ηα απνζέκαηα ησλ ππξεληθψλ θαπζίκσλ είλαη ζρεηηθά πεξηνξηζκέλα. Απφ ηελ άιιε ε παξαγσγή ελέξγεηαο κε ζχληεμε, πνπ πηζαλφλ λα ιχζεη ην ελεξγεηαθφ πξφβιεκα ηεο αλζξσπφηεηαο γηα πάληα, δελ είλαη ηερληθά εθηθηή θαη θαίλεηαη φηη δελ ζα είλαη νχηε ζην άκεζν κέιινλ. Ζ άιιε άπνςε πνπ είλαη πνιχ δηαδεδνκέλε ηα ηειεπηαία ρξφληα, είλαη ε παξαγσγή ελέξγεηαο απφ αλαλεψζηκεο πεγέο ελέξγεηαο πνπ έρνπλ ζαθή πεξηβαιινληνινγηθά νθέιε. Χζηφζν νη πεγέο απηέο (κε εμαίξεζε ηελ πδξνειεθηξηθή ελέξγεηα) έρνπλ πνιχ κηθξή ζπγθέληξσζε ηζρχνο, αζηάζεηα παξνρήο, ε δηαζεζηκφηεηά ηνπο δελ είλαη θαη αλάγθε ηαπηφρξνλε κε ηε δήηεζε θαη ην θφζηνο ηεο ελέξγεηαο πνπ παξάγνπλ είλαη κε ηα ζεκεξηλά δεδνκέλα πάξα πνιχ πςειφ. Πνιιέο θνξέο ε ελέξγεηα πνπ ρξεηάδεηαη γηα ηελ παξαγσγή ησλ ζπζηεκάησλ απηψλ, είλαη ζπγθξίζηκε κε ηελ ηειηθή σθέιηκε ελέξγεηα πνπ ζα παξαγάγνπλ ζε φιν ηνλ ρξφλν δσήο ηνπο. Ζ δπλαηφηεηεο ησλ αλαλεψζηκσλ πεγψλ ζα απμάλνληαλ πνιχ, αλ ππήξρε ε δπλαηφηεηα απνζήθεπζεο ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο κε ρακειφ θφζηνο θαη

10 κεγάιν ζπληειεζηή απφδνζεο. Γπζηπρψο φκσο ζηνλ ηνκέα απηφ ππάξρεη ειάρηζηε πξφνδνο. ια ηα πην πάλσ νδήγεζαλ ζηελ ηδέα ηεο νηθνλνκίαο ηνπ πδξνγφλνπ. Γειαδή λα γίλεη αληηθαηάζηαζε ησλ ζπκβαηηθψλ θαπζίκσλ κε πδξνγφλν γηα ζέξκαλζε, θίλεζε θαη παξαγσγή ειεθηξηζκνχ. χκθσλα κε ηελ ηδέα απηή ην πδξνγφλν κέζσ ησλ θπςειψλ θαπζίκνπ ζα παξάγεη ειεθηξηθή ελέξγεηα, παξάγνληαο σο θαπζαέξην κφλν λεξφ (ή θαη πδξαηκνχο). Ζ άκεζε θαχζε ηνπ πδξνγφλνπ κάιινλ έρεη απνθιεηζηεί, ιφγσ ηεο εθξεθηηθφηεηάο ηνπ θαη επεηδή παξάγνληαη νμείδηα ηνπ αδψηνπ, αλ ρξεζηκνπνηεζεί ζε κεραλέο εζσηεξηθήο θαχζεο. Ζ νηθνλνκία πδξνγφλνπ απνηειεί ηελ πην ειθπζηηθή ιχζε φζσλ αθνξά ηελ θάιπςε ησλ ελεξγεηαθψλ αλαγθψλ ζην άκεζν κέιινλ. Μπνξνχκε λα θαληαζηνχκε ηελ νηθνλνκία πδξνγφλνπ ζαλ έλα ζπλδεκέλν δίθηπν: -απφ ρεκηθέο δηεξγαζίεο νη νπνίεο παξάγνπλ πδξνγφλν απφ θπζηθά θαχζηκα, ηε βηνκάδα ή ηελ ειεθηξφιπζε ηνπ λεξνχ. -απνζήθεπζεο ηνπ παξαγµέλνπ πδξνγφλνπ µε θπζηθέο ή ρεκηθέο κεζφδνπο. -µεηαηξνπή ηεο ελέξγεηαο ηεο νπνίαο θέξεηαη απφ ην πδξνγφλν, ζε ειεθηξηθή ελέξγεηα θαη ζεξκφηεηα ζην ζεκείν δήηεζεο. 2.2 Φπζηθέο Ηδηόηεηεο Τδξνγόλνπ πσο θαη ηα πεξηζζφηεξα αέξηα, ην κφξην ηνπ πδξνγφλνπ είλαη δηαηνκηθφ. Σν αέξην πδξνγφλν είλαη πνιχ πην ειαθξχ απφ ηνλ αέξα. πγθεθξηκέλα ζηνπο 0 0 K ην πδξνγφλν έρεη ππθλφηεηα 0,0899 kg/m 3 πεξίπνπ δέθα θνξέο κηθξφηεξε απφ απηή ηνπ αέξα θαη γηα απηφ ην ιφγν δε βξίζθεηαη ζε κεγάιεο πνζφηεηεο ζηελ αηκφζθαηξα, αθνχ ζε ζπλδπαζκφ κε ηε κηθξή ηνπ κάδα κπνξεί λα δηαθχγεη απφ ηηο βαξπηηθέο δπλάκεηο ηεο γεο. Με εμαίξεζε ην ήιην, ην πδξνγφλν έρεη ην ρακειφηεξν ζεκείν βξαζκνχ (20,268 0 K) θαη πήμεσο (14,025 0 K). Τδξνγφλν ζε πγξή θάζε επηηεχρζεθε πξψηε θνξά απφ ηνλ Άγγιν ρεκηθφ Sir James

11 Dewar ην 1898, είλαη άρξσκν ζε κηθξέο πνζφηεηεο αιιά αλνηρηφ κπιε ζε ιεπηά δείγκαηα. Σν ζηεξεφ πδξνγφλν είλαη επίζεο άρξσκν. ηε θχζε ζπλαληψληαη ηξία δηαθνξεηηθά ηζφηνπα. Σν ηζφηνπν πνπ απνηειεί ην 99,98% ησλ αηφκσλ πδξνγφλνπ νλνκάδεηαη πξψηην (1H) θαη απνηειείηαη απφ έλα πξσηφλην θαη έλα ειεθηξφλην. ε πνζνζηφ 0,02% ζπλαληνχκε έλα δεχηεξν ηζφηνπν, ην δεπηέξην (ή 2D ) ην νπνίν απνηειείηαη απφ έλα πξσηφλην, έλα λεηξφλην θαη έλα ειεθηξφλην. Σν δεπηέξην ρξεζηκνπνηείηαη ζε πιήζνο επηζηεκνληθψλ εθαξκνγψλ. Σέινο ην ηξίην ηζφηνπν νλνκάδεηαη ηξίηην (ή 3Σ) απνηεινχκελν απφ έλα πξσηφλην, δχν λεηξφληα θαη έλα ειεθηξφλην θαη αληηζηνηρεί έλα ζε άηνκα πδξνγφλνπ. Σν ηξίηην είλαη ξαδηελεξγφ κε ρξφλν εκίζεηαο δσήο ηα 12,4 ρξφληα. Καηά ηε θβαληνκεραληθή πξνζέγγηζε, ζπλνπηηθά, ηα πξσηφληα ησλ κνξίσλ πδξνγφλνπ πεξηβάιινληαη απφ ην ειεθηξνληθφ λέθνο 2 ειεθηξνλίσλ. (ζρήκα 2.3). ρήκα 2.1: Ζιεθηξνληθό λέθνο µνξίνπ πδξνγόλνπ. Πην ζθνύξεο πεξηνρέο αλαπαξηζηνύλ κεγαιύηεξε ειεθηξνληθή πηζαλόηεηα Ζ ππθλφηεηα πηζαλφηεηαο απηνχ ηνπ λέθνπο είλαη απμεκέλε ζηνλ ρψξν κεηαμχ ησλ πξσηνλίσλ έηζη ψζηε ην θαζέλα λα ζσξαθίδεηαη απφ ην νκφζεκν θνξηίνπ ηνπ άιινπ. Ζ θαηάζηαζε απηή πξνθχπηεη απφ άξηηα (ζπκκεηξηθή) θπκαηνζπλάξηεζε λα πεξηγξάθεη ηελ ειεθηξνληθή θαηαλνκή ζην κφξην. κσο ε νιηθή θπκαηνζπλάξηεζε ηνπ ζπζηήκαηνο ηνπ κνξίνπ ηνπ πδξνγφλνπ (σο γηλφκελν ηεο ρσξηθήο θαη απηήο ησλ ζπηλο) πξέπεη λα είλαη αληηζπκκεηξηθή ζαλ ζπλέπεηα ηεο αξρήο ηνπ Pauli. Ζ θπκαηνζπλάξηεζε ησλ ζπηλο επνκέλσο πξέπεη λα είλαη αληηζπκκεηξηθή, δειαδή ηα ζπηλο ησλ ειεθηξνλίσλ ηνπ κνξίνπ λα είλαη αληηπαξάιιεια (ζρήκα 2.4).

12 ρήκα 2.2: Ζιεθηξνληθή ππθλόηεηα αηόθνπ πδξνγόλνπ γηα δηάθνξεο ηηκέο θβαληηθώλ αξηζκώλ n θαη l (m=0) 2.3 Υεκηθέο Ηδηόηεηεο Τδξνγόλνπ Σν αέξην πδξνγφλν ζπλήζσο δελ αληηδξά κε άιια ρεκηθά ζε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ. Απηφ δηφηη ν δεζκφο κεηαμχ ησλ αηφκσλ ηνπ είλαη εμαηξεηηθά δπλαηφο θαη απαηηεί κεγάιεο πνζφηεηεο ελέξγεηαο γηα λα δηαζπαζηεί ψζηε ηα μερσξηζηά πηα άηνκα λα αληηδξάζνπλ κε άιια ζηνηρεία ή ελψζεηο. Χζηφζν ζεξκαηλφκελν κε θιφγα αληηδξά βίαηα κε ην νμπγφλν ηνπ αέξα ψζηε λα δψζεη λεξφ ζχκθσλα κε ηελ αληίδξαζε 2H 2 + O 2 2H 2 O εθιχνληαο ηαπηφρξνλα ελέξγεηα. Σα άηνκα πδξνγφλνπ ζρεκαηίδνπλ νκνηνπνιηθνχο δεζκνχο εθηφο κεηαμχ ηνπο θαη κε άιια ζηνηρεία, φπσο ζηηο ελψζεηο ηνπ κεζαλίνπ (CH 4 ) θαη ηνπ λεξνχ. Οη δεζκνί απηνί δελ είλαη πάληα ηζρπξνί αιιά ζπάλε εχθνια φπσο ζηελ πεξίπησζε ησλ νμέσλ. Παξάδεηγκα απηνχ είλαη ην κεζάλην νμχ (CH 3 COOH), έλα αζζελέο νμχ. Γηαιπφκελα ζε λεξφ ν αζζελήο δεζκφο ηνπ πδξνγφλνπ ζπάεη, κε ην πδξνγφλν λα αθήλεη πίζσ ην ειεθηξφλην ηνπ θαη λα κεηαηξέπεηαη ζε ηφλ πδξνγφλνπ (H + ). Σν πδξνγφλν επίζεο ζρεκαηίδεη ηνληηθνχο δεζκνχο φπσο γηα παξάδεηγκα ην HCl. Σέινο ην πδξνγφλν κπνξεί λα ζρεκαηίζεη ην ιεγφκελν δεζκφ πδξνγφλνπ (hydrogen bond). Ο δεζκφο απηφο γίλεηαη κφλν κεηαμχ πδξνγφλνπ θαη ελφο απφ ηα ζηνηρεία O, S, N, F ή Cl. Ζ ελέξγεηα ηνπ δεζκνχ απηνχ είλαη κηθξή. Υαξαθηεξηζηηθφηεξν παξάδεηγκα απηνχ απνηειεί ην λεξφ φπνπ θάζε κφξην ηνπ ( ζε κε πςειέο ζεξκνθξαζίεο ) ζπλδέεηαη κε 4 γεηηνληθά δεκηνπξγψληαο ζπκπιέγκαηα πνιιψλ κνξίσλ λεξνχ. Ο δεζκφο πδξνγφλνπ θαηά

13 έλα κέξνο νθείιεηαη ζε δπλάκεηο Van Der Waals ελψ έρνπκε επηπξφζζεζε δπλάκεσλ θαζαξά ρεκηθνχ δεζκνχ. Σν πδξνγφλν θάησ απφ πνιχ κεγάιε πίεζε (1,5 εθαηνκκχξηα αηκφζθαηξεο) θαη ζεξκνθξαζία ( K κε K) κπνξεί λα ζπκπεξηθεξζεί θαη σο κέηαιιν, αληαλαθιψληαο ην θσο θαη άγνληαο ην ειεθηξηθφ ξεχκα. 2.4 Παξαζθεπή Καη Υξήζεηο Τδξνγόλνπ Ζ κε χπαξμε θαζαξνχ αέξηνπ πδξνγφλνπ, ζέηεη ην πξφβιεκα ηεο παξαζθεπήο ηνπ. Οη κέζνδνη πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ παξαζθεπή πδξνγφλνπ είλαη πνιπάξηζκνη: Απφ ην θπζηθφ αέξην ή ην θσηαέξην κε θιαζκαηηθή δηαπίδπζε. Με ηελ επίδξαζε λεξνχ ζε λάηξην «ελ ςπρξψ»: Η 2 O + Na NaOH + 1 / 2 H 2 Με ηελ επίδξαζε ππέξζεξκσλ πδξαηκψλ ζε δηάππξν ζίδεξν: 4H 2 O + 3Fe Fe 3 O 4 + 4H 2 Με ηελ επίδξαζε ππέξζεξκσλ πδξαηκψλ ζε δηάππξν άλζξαθα: 2H 2 O + C CO 2 + 2H 2 Με ηελ επίδξαζε λεξνχ ζε πδξνιίζην: 2H 2 O + CaH 2 Ca (OH) 2 + 2H 2 Με ειεθηξφιπζε λεξνχ. Σν πδξνγφλν ειεπζεξψλεηαη ζηελ θάζνδν H 2 O H / 2 O 2 Απφ ηα νμέα κε αληηθαηάζηαζε ηνπ Ζ απφ κέηαιιν: H 2 SO 4 + Zn ZnSO 4 + H 2 Απφ ηηο βάζεηο κε ηελ επίδξαζε επακθνηεξηδφλησλ ζηνηρείσλ: 3ΚΟΗ + Αϊ K 3 AlO / 2 H 2 Απφ ηελ ππξφιπζε ηνπ κεζαλίνπ: CH 4 C + 2H 2 Απφ ην κεζάλην κε ηελ επίδξαζε λεξνχ θαη παξνπζία ληθειίνπ σο θαηαιχηε: CH 4 + H 2 O Ni CO + 3H 2 Με πδξφιπζε ζηνπο o C: 2H 2 O + ενέργεια 2H 2 + O 2

14 Οη κέζνδνη παξαζθεπήο, ελδεηθηηθά, ρσξίδνληαη ζε 3 θαηεγνξίεο, ηηο ζεξκνρεκηθέο, ηηο ειεθηξνιπηηθέο θαη ηηο θσηνιπηηθέο. Δλ ζπληνκία αλαθέξνπκε κεξηθέο απφ ηηο ρξήζεηο ηνπ. Σν πδξνγφλν ρξεζηκνπνηείηαη απφ ηε βηνκεραλία ζε κεγάιν πνζνζηφ γηα ηελ παξαζθεπή ακκσλίαο, κεζαλίνπ, βελδηλψλ θαη κπξκεθηθνχ νμένο. Απηά ρξεζηκνπνηνχληαη ζηε ζπλέρεηα γηα ηελ παξαζθεπή άιισλ πξντφλησλ, φπσο εθξεθηηθά, ιηπάζκαηα, αληηςπθηηθά θηι. Ζ ηερλνινγία ηξνθίκσλ ρξεζηκνπνηεί ην πδξνγφλν γηα ηελ παξαζθεπή ηερλεηψλ ιηπψλ κε πδξνγφλσζε ειαίσλ. Σν πδξνγφλν επίζεο ρξεζηκνπνηείηαη απφ ηελ επηζηήκε ηεο θπζηθήο κε εθαξκνγή ζηε κειέηε ησλ ζηνηρεησδψλ ζσκαηηδίσλ. Με ηε κνξθή πγξνχ βξίζθεη ρξήζε ζηε κειέηε ηεο ππεξαγσγηκφηεηαο. 2.5 Σν Τδξνγόλν Αο Φνξέαο Δλέξγεηαο Σν πδξνγφλν έρεη επηπιένλ κία ρξήζε, κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί σο θνξέαο ελέξγεηαο. Μάιηζηα απηή ηε ζηηγκή γίλνληαη ζεκαληηθέο πξνζπάζεηεο, θπξίσο ζηα ηδηαίηεξα αλεπηπγκέλα θξάηε, γηα ηε κεηαηξνπή ηεο πξνζαξκνζκέλεο ζηα ζπκβαηηθά θαχζηκα ππνδνκήο, ζε ππνδνκή κε βάζε ην πδξνγφλν. Δλδεηθηηθά ε Ηζιαλδία πξνβιέπεη ζε κία ππνδνκή πιήξσο βαζηζκέλε ζην πδξνγφλν κέρξη ην , ελψ κέρξη ην 2030 ζηφρνο ηνπ ππνπξγείνπ νηθνλνκίαο ησλ ΖΠΑ είλαη ε αληηθαηάζηαζε ηνπ 10% ηεο ελεξγεηαθήο θαηαλάισζεο απφ ελέξγεηα πδξνγφλνπ. Υαξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγκα γηα ην πσο ην πδξνγφλν κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα παξαρζεί ελέξγεηα είλαη νη ιεγφκελεο θπςέιεο θαπζίκνπ (fuel cells), ζηνηρεία ηα νπνία ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο κε βάζε απηφ. Πεξηζζφηεξα γηα ηηο θπςέιεο θαπζίκνπ ζα δνχκε παξαθάησ. Ζ ηάζε θαηαλάισζεο θαπζίκσλ φιν θαη ιηγφηεξεο πεξηεθηηθφηεηαο ζε άλζξαθα είλαη ηζηνξηθά εκθαλήο. Σν πδξνγφλν απαιιαγκέλν απφ θάζε πνζφ άλζξαθα κπνξεί λα πξνζθέξεη αξθεηή ελέξγεηα γηα θαζεκεξηλέο ρξήζεηο φπσο ε ειεθηξνδφηεζε θηηξίσλ ή ε θίλεζε ησλ κεηαθνξηθψλ καο κέζσλ. Σν φηη ππάξρεη έλαο ζαθήο πξνζαλαηνιηζκφο πξνο

15 ηελ θαηεχζπλζε ηνπ πδξνγφλνπ δελ είλαη ηπραίν. Σν πδξνγφλν έρεη ηo πςειφηεξν ελεξγεηαθφ πεξηερφκελν αλά κνλάδα βάξνπο απφ νπνηνδήπνηε άιιν γλσζηφ θαχζηκν, 120,7 kj/gr θαη πεξίπνπ ηξεηο θνξέο κεγαιχηεξν απφ απηφ ηεο ζπκβαηηθήο βελδίλεο. Κάλεη θαζαξή θαχζε. ηαλ θαίγεηαη κε νμπγφλν παξάγεη κφλν λεξφ θαη ζεξκφηεηα. ηαλ θαίγεηαη κε ηνλ αηκνζθαηξηθφ αέξα, ν νπνίνο απνηειείηαη πεξίπνπ απφ 68% άδσην, παξάγνληαη επίζεο κεξηθά νμείδηα ηνπ αδψηνπ ζε ακειεηέν σζηφζν βαζκφ. Γηα ην ιφγσ φηη θάλεη θαζαξή θαχζε δε ζπκβάιεη ζηε κφιπλζε ηνπ πεξηβάιινληνο. Σν πνζφ ηνπ λεξνχ πνπ παξάγεηαη θαηά ηε θαχζε είλαη ηέηνην ψζηε λα ζεσξείηαη επίζεο ακειεηέν θαη κε ηθαλφ επνκέλσο λα επηθέξεη θάπνηα θιηκαηνινγηθή αιιαγή, δεδνκέλεο αθφκα θαη καδηθήο ρξήζεο. 2.6 Σύγκριζη Ιδιοηήηων Υδρογόνοσ Και Φσζικού Αερίοσ Ζ εηζαγσγή ηνπ θπζηθνχ αεξίνπ ζηελ αγνξά ελέξγεηαο απνηειεί πιένλ πξαγµαηηθφηεηα θαη γηα ηελ Διιάδα, µεηά ηελ νινθιήξσζε ησλ δηθηχσλ µεηαθνξάο θαη δηαλνκήο θπζηθνχ αεξίνπ ζηνπο πεξηζζφηεξνπο λνµνχο ηεο ρψξαο. Σν θπζηθφ αέξην δελ πξννξίδεηαη µφλν γηα βηνκεραληθή θαη νηθηαθή ρξήζε, αιιά θαη γηα θαχζηµν ζε θηλεηέο εθαξκνγέο, θάηη πνπ ζπκβαίλεη ήδε ζε έλα ηµήµα ησλ νδηθψλ µέζσλ µαδηθήο µεηαθνξάο. Αληίζηνηρεο είλαη θαη νη πξννπηηθέο πνπ πξνδηαγξάθνληαη γηα ην πδξνγφλν. Πέξα απφ ηα νηθνλνµνηερληθά θαη πεξηβαιινληηθά νθέιε πνπ πξνζδνθνχληαη απφ ηε ρξήζε ηνπ, γελλάηαη ην εξψηεµα εάλ ην πδξνγφλν απνδεηθλχεηαη αζθαιέζηεξν ηνπ θπζηθνχ αεξίνπ απφ πιεπξάο ρξήζεο θαη δηαρείξηζεο. Δπηρεηξψληαο µηα ηέηνηα ζχγθξηζε µεηαμχ πδξνγφλνπ θαη θπζηθνχ αεξίνπ, πξνθχπηνπλ νη εμήο παξαηεξήζεηο: Σν µφξην ηνπ πδξνγφλνπ είλαη µηθξφηεξν ζε δηαζηάζεηο απφ απηφ ηνπ µεζαλίνπ θαη άξα είλαη δπλαηφλ λα δηαθχγεη δηαµέζνπ δηαπεξαηψλ πιηθψλ, απφ ηα νπνία ην µεζάλην δελ ζα κπνξνχζε λα δηαξξεχζεη. Αληίζεηα, ε δηαθνξά ζηνλ ξπζµφ δηαξξνήο είλαη αζήµαληε. Σν πδξνγφλν απνδίδεη πεξίπνπ ην 1/3 ηεο ελέξγεηαο ηνπ µεζαλίνπ ζηνλ ίδην φγθν θαη ζηηο ίδηεο ζπλζήθεο. πλεπψο ζε µηα δεδνµέλε πίεζε θαη ζεξµνθξαζία 3 µνλάδεο φγθνπ πδξνγφλνπ απνηεινχλ ζχζηεµα µε ελεξγεηαθφ πεξηερφµελν ίζν πξνο απηφ µηαο µνλάδαο φγθνπ µεζαλίνπ ζηηο ίδηεο ζπλζήθεο. Γηα µηθξέο δηαξξνέο απφ ζπζηήµαηα πςειήο πίεζεο, επίζεο, ν ξπζµφο έθιπζεο µάδαο

16 ηνπ πδξνγφλνπ ζα είλαη ηξηπιάζηνο απφ απηφλ ηνπ µεζαλίνπ. Έηζη ην ελεξγεηαθφ πεξηερφµελν ζηηο δχν πεξηπηψζεηο ζα είλαη ην ίδην, επεηδή ην πδξνγφλν δηαζέηεη πεξίπνπ ηξηπιάζηα ελέξγεηα απφ φηη ην µεζάλην αλά µνλάδα βάξνπο. Σα θαηψηεξα φξηα αλαθιεμηµφηεηαο ηνπ πδξνγφλνπ θαη ηνπ µεζαλίνπ παξνπζηάδνπλ µηθξή δηαθνξά (4% θαη 5% θ.ν., αληίζηνηρα). Σν πδξνγφλν φµσο, έρεη ζεµαληηθά µεγαιχηεξε δηαθνξά µεηαμχ ηνπ θαηψηεξνπ νξίνπ αλαθιεμηµφηεηαο θαη ηνπ θαηψηεξνπ νξίνπ εθξεθηηθφηεηαο (4% θαη 18%), απφ απηήλ ηνπ µεζαλίνπ (5% θαη 5.7%). Απηφ ζεµαίλεη φηη ε ζπγθέληξσζε πδξνγφλνπ πνπ απαηηείηαη γηα ηνλ ζρεµαηηζµφ εθξεθηηθνχ µίγµαηνο µε ηνλ αέξα είλαη ηξηπιάζηα απφ απηήλ πνπ απαηηείηαη γηα ην µεζάλην. Αλ θαη ηα θαηψηεξα φξηα αλαθιεμηµφηεηαο ησλ δχν θαπζίµσλ είλαη παξαπιήζηα, ην πδξνγφλν έρεη πνιχ µεγαιχηεξν εχξνο αλαθιεμηµφηεηαο απφ ην µεζάλην (αλψηεξν φξην αλαθιεμηµφηεηαο: 75% θαη 15%, αληίζηνηρα). Απηφ νπζηαζηηθά ππνδειψλεη φηη θνληά ζηε δηαξξνή, παξνπζία πεγήο έλαπζεο, ην µεζάλην έρεη µηθξφηεξε πηζαλφηεηα αλάθιεμεο απφ ην πδξνγφλν (ιφγσ ππεξβνιηθά πινχζηνπ µίγµαηνο). Δμάιινπ ε αλάθιεμε ελφο µίγµαηνο πδξνγφλνπ ζα νδεγήζεη ζε θαχζε µεγαιχηεξνπ ηµήµαηνο ηνπ λέθνπο, απφ φηη ζηε πεξίπησζε πνπ ην θαχζηµν ζα ήηαλ µεζάλην µε παξφµνηα θαηαλνµή ζπγθεληξψζεσλ ζην λέθνο. Γη απηφ, ε ζπζζσξεπηηθή επίδξαζε ηεο ζεξµηθήο αθηηλνβνιίαο ελδέρεηαη λα νδεγήζεη ζε απμεµέλεο επηπηψζεηο. Σν γεγνλφο φηη, ην πδξνγφλν έρεη εηδηθφ φγθν 14.5 (έλαληη 1.8 ηνπ µεζαλίνπ), ζπλεπάγεηαη φηη αλπςψλεηαη ζηελ αηµφζθαηξα ηαρχηεξα απφ ην µεζάλην, µε ηαπηφρξνλε µείσζε ηεο ζπγθέληξσζήο ηνπ ζε µηθξφηεξν ρξφλν. Δμάιινπ ην πδξνγφλν δηαρέεηαη ζηνλ αέξα πεξίπνπ 4 θνξέο ηαρχηεξα απφ ην µεζάλην, θαη απηφο είλαη άιινο έλαο ιφγνο γηα ηνλ νπνίν ε αξαίσζε ηνπ πδξνγφλνπ ζε αζθαιή επίπεδα γίλεηαη ζπληνµφηεξα. ε ζπγθεληξψζεηο µέρξη θαη 10% θ.ν. πεξίπνπ, πδξνγφλν θαη µεζάλην έρνπλ παξαπιήζηεο ελέξγεηεο αλάθιεμεο. ζν ε αλαινγία πδξνγφλνπ αέξα πιεζηάδεη ηελ ζηνηρεηνµεηξηθή (µεδεληθφ ηζνδχγην νμπγφλνπ), φπνπ ππάξρεη 29% θ.ν. πδξνγφλν, ε ζεξµνθξαζία αλάθιεμεο µεηψλεηαη ζην 1/15 απηήο ηνπ µεζαλίνπ. ηα θαηψηεξα φξηα αλαθιεμηµφηεηαο ησλ δχν αεξίσλ, ε ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα ηελ

17 αλάθιεμή ηνπο είλαη ηφζν ραµειή, ψζηε απιέο πεγέο έλαπζεο φπσο ν ζηαηηθφο ειεθηξηζµφο είλαη δπλαηφλ λα νδεγήζνπλ ζε ππξθαγηά ή έθξεμε. Καη ηα δχν αέξηα έρνπλ ζρεηηθά πςειέο ζεξµνθξαζίεο απηαλάθιεμεο πνπ δελ απαληψληαη ζε απιέο εθαξµνγέο ( o C θαη o C, αληίζηνηρα). ε αληίζεζε µε ην µεζάλην, ε θιφγα πνπ δεµηνπξγείηαη θαηά ηε θαχζε ηνπ πδξνγφλνπ είλαη ζρεδφλ αφξαηε ζην θσο, αλ θαη αέξηνη ξχπνη είλαη δπλαηφλ λα ηεο πξνζδψζνπλ θάπνηα νξαηφηεηα. Δπεηδή δελ πθίζηαηαη άλζξαθαο ζην αληηδξψλ ζχζηεµα πνπ θαηγφµελνο ζε αλαγσγηθέο ζπλζήθεο ζα απέδηδε επηπιένλ ζεξµφηεηα µε αθηηλνβνιία εθπνµπήο ζην ππέξπζξν, ε ζεξµηθή αθηηλνβνιία πνπ εθπέµπεηαη απφ µηα ππξθαγηά πδξνγφλνπ είλαη µηθξφηεξε απφ απηήλ µηαο ηζνδχλαµεο ππξθαγηάο µεζαλίνπ θαη γεληθά αέξηνπ πδξνγνλάλζξαθα. Απηφ ζπλεπάγεηαη µηα µηθξή µείσζε ηεο πηζαλφηεηαο πξφθιεζεο αιπζσηψλ θαηλνµέλσλ, φπνπ έλα αξρηθφ αηχρεµα απνηειεί ην έλαπζµα γηα έλα επφµελν, µε αλαπφθεπθηε θιηµάθσζε ησλ ζπλεπεηψλ. Ζ ηαρχηεηα θαχζεο ηνπ πδξνγφλνπ (ν ρξφλνο πνπ δηαξθεί ε µεηάβαζε ζηε µέγηζηε ππεξπίεζε) ζηε πεξίπησζε έθξεμεο είλαη 10 θνξέο µεγαιχηεξε απφ απηήλ ηνπ µεζαλίνπ. πλεπψο ε έθξεμε πδξνγφλνπ ζα είλαη θαηά πνιχ ηζρπξφηεξε απφ µηα αληίζηνηρε µεζαλίνπ, αιιά µε µηθξφηεξε δηάξθεηα ζεηηθήο θάζεο θαη παξαπιήζηα ππεξπίεζε. Άξα νη πιηθέο θαηαζθεπέο θαινχληαη λα αθνµνηψζνπλ ηηο αλαπηπζζφµελεο ππεξπηέζεηο ζε µηθξφηεξν ρξφλν. ε αληίζεζε µε ην άνζµν µεζάλην ζην νπνίν φµσο πξνζηίζεηαη ζθφπηµα θάπνηα νζµεξή νπζία, ην πδξνγφλν ρξεζηµνπνηείηαη σο έρεη (άνζµν). Ζ ραξαθηεξηζηηθή νζµή είλαη πνιχ ρξήζηµε γηα ηα δίθηπα δηαλνµήο πδξνγφλνπ ζην επξχ θνηλφ, αθνχ µπνξεί λα νδεγήζεη ζηελ έγθαηξε αληίιεςε µηαο δηαξξνήο ζε ρψξνπο φπνπ ζπλήζσο δελ ππάξρνπλ ζπζηήµαηα αλίρλεπζεο(θηηξηαθά ζπγθξνηήµαηα, θαηνηθίεο). Ωζηφζν απηφο ν ηξφπνο δελ είλαη θαη αλάγθε απνηειεζµαηηθφο, αθνχ θάπνηνο πξέπεη λα είλαη παξψλ γηα λα νζθξηζηεί ην δηαξξένλ αέξην. Σν πδξνγφλν πνπ πξννξίδεηαη γηα βηνµεραληθή ρξήζε ή γηα θειία θαπζίµσλ νρεµάησλ, δελ αξσµαηίδεηαη πνηέ, αθνχ νη ζεηνχρεο µεξθαπηάλεο πνπ ρξεζηµνπνηνχληαη γηα ην ζθνπφ απηφ δειεηεξηάδνπλ ηνλ θαηαιχηε ηνπ θειίνπ.

18 Πίλαθαο 2.1 Φπζηθέο ηδηόηεηεο αεξίσλ Σειηθά φζνλ αθνξά ηελ αζθάιεηα ησλ δχν θαπζίµσλ, ην πδξνγφλν ππεξέρεη ηνπ θπζηθνχ αεξίνπ ζε ζπγθεθξηµέλα ζεµεία, ελψ ζε άιια ζπµβαίλεη ην αληίζεην. Σν νπζηαζηηθφ ζπµπέξαζµα ηεο ζχγθξηζεο είλαη µάιινλ ν εληνπηζµφο ησλ ζεµείσλ εθείλσλ φπνπ ην πδξνγφλν µεηνλεθηεί. Με απηφλ ηνλ ηξφπν, µπνξεί λα γίλεη δπλαηή ε δηφξζσζή ηνπο θαη ε βειηίσζε ηεο αζθάιεηαο θαηά ηε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ. 2.7 Πιενλεθηήκαηα Έλαληη πκβαηηθώλ Πεγώλ Δλέξγεηαο Απφ άπνςε ξχπσλ είλαη ην ηέιεην θαχζηκν. Απφ ηε ζηηγκή πνπ ην CO 2 ελνρνπνηήζεθε σο αέξην ηνπ ζεξκνθεπίνπ (θαη έσο φηνπ ελνρνπνηεζνχλ θαη νη πδξαηκνί γηα ηνλ ίδην ιφγσ) κπνξνχκε λα ζεσξνχκε φηη νη εθπνκπέο ξχπσλ θαηά ηελ θαχζε ηνπ είλαη κεδεληθέο (επίηεπμε ηνπ ζηφρνπ απηνθίλεην κεδεληθψλ ξχπσλ).

19 Γπλαηφηεηα απνζήθεπζεο ηεο ελέξγεηαο απφ αλαλεψζηκεο πεγέο (ΑΠΔ).Ζ κεηαηξνπή φιεο ή ηεο επηπιένλ ελέξγεηαο πνπ ζα παξάγεηαη απφ αηνιηθέο ή θσηνβνιηατθέο πεγέο ζε πδξνγφλν, κπνξεί λα εμνκαιχλεη ηελ αζηάζεηα παξνρήο ησλ πεγψλ απηψλ θαη ηνλ ζπγρξνληζκφ ηνπο κε ηε δήηεζε. Πιήξεο εθκεηάιιεπζε ηεο ζεξκνγφλνπ ηνπ δχλακεο. Αλ ρξεζηκνπνηείηαη γηα εθαξκνγέο ζέξκαλζεο, κπνξεί λα γίλεη πιήξεο εθκεηάιιεπζε ηεο ζεξκφηεηαο πνπ απειεπζεξψλεηαη θαηά ηελ θαχζε ηνπ (φπσο κπνξεί λα γίλεη θαη κε ην θπζηθφ αέξην), κε ζπκπχθλσζε ηνπ αηκνχ ησλ θαπζαεξίσλ (ιέβεηεο ηχπνπ condenser). ηνπο ιέβεηεο πεηξειαίνπ αλαγθαδφκαζηε λα θξαηάκε ηελ ζεξκνθξαζία ησλ απνβαιιφκελσλ θαπζαεξίσλ ζε ςειέο ηηκέο (200 0 C) γηα λα απνθχγνπκε ην ζρεκαηηζκφ δηαξζξσηηθνχ ζεηηθνχ νμένο ζηα ηνηρψκαηα απφ ην ζείν πνπ πεξηέρεη ην πεηξέιαην. Μεγάιε ηηκή ππθλφηεηαο ελέξγεηαο αλά Kg βάξνπο. πγθξηηηθά κε ηνπο ειεθηξηθνχο ζπζζσξεπηέο. Δχθνιε κεηαθνξά θαη ηξνθνδνζία ηνπ ζηνπο θηλεηήξεο. πγθξηηηθά κε ηα ζηεξεά θαχζηκα, επεηδή κπνξεί λα δηαηεζεί ζε πγξή ή αέξηα κνξθή. Γελ είλαη ηνμηθφ ζε πεξίπησζε δηαξξνήο. Ζ παξαγσγή ηνπ κπνξεί λα γίλεη ζηε ρψξα θαηαλάισζεο. ε αληίζεζε κε ηα νξπθηά θαχζηκα, πνπ ηα θνηηάζκαηά ηνπο είλαη ζπγθεληξσκέλα ζε ζπγθεθξηκέλεο πεξηνρέο ηεο γεο. 2.8 Μεηνλεθηήκαηα Έλαληη πκβαηηθώλ Πεγώλ Δλέξγεηαο Σα πεξηζζφηεξα κεηνλεθηήκαηα ρξήζεο ηνπ πδξνγφλνπ έρνπλ λα θάλνπλ κε ηελ ειιηπή ζεκεξηλή ππνδνκή θαη απνηεινχλ θπξίσο ηερληθά πξνβιήκαηα ηα νπνία αλαδεηνχλ ιχζε. Ζ απνζήθεπζε ηνπ. Γεδνκέλνπ ηνπ φηη ην πδξνγφλν είλαη πνιχ ειαθξχ, ε ζπκπίεζε κεγάιεο πνζφηεηαο ζε κηθξνχ κεγέζνπο δεμακελή είλαη δχζθνιε ιφγσ ησλ πςειψλ πηέζεσλ πνπ ρξεηάδνληαη γηα λα επηηεπρζεί ε πγξνπνίεζε. Ζ έιιεηςε νξγαλσκέλνπ δηθηχνπ δηαλνκήο ηνπ. Ζ ηηκή ηνπ είλαη ζρεηηθά πςειή ζε ζχγθξηζε κε απηή ηεο βελδίλεο ή ηνπ πεηξειαίνπ. Ζ πεξηζζφηεξν δηαδεδνκέλε ιφγσ ρακεινχ θφζηνπο κέζνδνο παξαγσγήο πδξνγφλνπ απηή ηε ζηηγκή είλαη ε κεηαηξνπή ηνπ θπζηθνχ αεξίνπ.

20 Χζηφζν φζν εμειίζζνληαη θαη άιιεο κέζνδνη, φπσο ε κεηαηξνπή ηεο αηνιηθήο ελέξγεηαο, ην θφζηνο ζα ζπλερίζεη λα κεηψλεηαη. Αλ θαη ζηηο πεξηζζφηεξεο ησλ πεξηπηψζεσλ ην πδξνγφλν ζεσξείηαη πεξηζζφηεξν αζθαιέο απφ νπνηνδήπνηε άιιν θαχζηκν, θάησ απφ ζπγθεθξηκέλεο ζπλζήθεο κπνξεί λα γίλεη εμαηξεηηθά επηθίλδπλν. Ζ απμεκέλε ηηκή ησλ θπςειψλ θαπζίκνπ κε ηηο νπνίεο απηή ηε ζηηγκή γίλεηαη ε κεγαιχηεξε εθκεηάιιεπζε ηνπ πδξνγφλνπ σο θαχζηκν. Δπηπιένλ ε ηερλνινγία ηνπο δε κπνξεί λα ζεσξεζεί νινθιεξσηηθά αμηφπηζηε, αθνχ πξνο ην παξφλ ππάξρνπλ αξθεηά ηερληθά πξνβιήκαηα ηα νπνία αλαδεηνχλ αμηφπηζηεο ιχζεηο. Κπςέιεο πξνζαλαηνιηζκέλεο γηα νηθηαθή θαη κεηαθνξηθή ρξήζε ραξαθηεξίδνληαη απφ κηθξή αλνρή ζε θαχζηκα κε πςειήο θαζαξφηεηαο. Απηφ κε ηε ζεηξά ηνπ απμάλεη ην θφζηνο παξαγσγήο ηνπ θαπζίκνπ. Κπςέιεο θαπζίκνπ πξνζαλαηνιηζκέλεο γηα βηνκεραληθή ρξήζε πάιη ραξαθηεξίδνληαη απφ πνιχ πςειέο ζεξκνθξαζίεο ιεηηνπξγίαο. Σν πδξνγφλν δελ είλαη δειεηεξηψδεο θαη απφ κφλν ηνπ δελ είλαη εθξεθηηθφ. Γηα λα εθξαγεί, πξέπεη λα αλακηρζεί κε νμπγφλν. Δπεηδή είλαη πνιχ ειαθξχηεξν ηνπ αέξα, ζε πεξίπησζε δηαξξνήο ηνπ ζε αλνηθηφ ρψξν, δηαρέεηαη εχθνια, ρσξίο ζνβαξφ θίλδπλν εθξήμεσο. Παξ φι απηά φκσο αλαθιέγεηαη πνιχ επθνιφηεξα απφ φια ηα αέξηα θαη πγξά θαχζηκα (πηλ.2.2). Πηλαθαο 2.2: Όξηα εθξεθηηθόηεηαο (%) ζηνλ αέξα θαη ειάρηζηε ελέξγεηα αλάθιεμεο πδξνγόλνπ, κεζαλίνπ θαη πξνπαλίνπ. Γεληθά νη θίλδπλνη ζα είλαη απμεκέλνη ζπγθξηηηθά κε απηνχο ησλ αεξίσλ θαπζίκσλ, ιφγσ ηεο κεγαιχηεξεο πίεζεο απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ. Δηδηθά γηα ηελ εθαξκνγή ηνπ πδξνγφλνπ ζηα απηνθίλεηα, νη θίλδπλνη απμάλνληαη πεξηζζφηεξν, ιφγσ ηεο κεγαιχηεξεο πηζαλφηεηαο εκπινθήο ηνπ απηνθηλήηνπ ζε αηχρεκα, ζε ζχγθξηζε κε κηα ζηαηηθή δηάηαμε πδξνγφλνπ. Δπηπιένλ ζα πξέπεη λα ιεθζνχλ εηδηθά κέηξα αεξηζκνχ θαη αζθάιεηαο ησλ ππνγείσλ θαη θιεηζηψλ ρψξσλ ζηάζκεπζεο φπσο θαη γηα ηνπο ρψξνπο επηζθεπήο θαη αλεθνδηαζκνχ ησλ απηνθηλήησλ. Έλαο αθφκε ζνβαξφο θίλδπλνο πνπ ζα πξέπεη λα ιεθζεί

21 ππ φςε, είλαη ε πηζαλή ρξεζηκνπνίεζε ηνπ απηνθηλήηνπ πδξνγφλνπ απφ επίδνμνπο ηξνκνθξάηεο. Με πνιχ απιή επέκβαζε ην απηνθίλεην πδξνγφλνπ ζα κπνξνχζε λα κεηαηξαπεί ζε κηα κε αληρλεχζηκε ηζρπξφηαηε βφκβα.

22 3. ΜΔΘΟΓΟΗ ΠΑΡΑΚΔΤΖ ΤΓΡΟΓΟΝΟΤ 3.1 Αλακόξθσζε Μεζαλίνπ Με Αηκό (SMR) Ζ θαηαιπηηθή αλακφξθσζε ηνπ κεζαλίνπ κε αηκφ είλαη κηα πνιχ γλσζηή, εκπνξηθά δηαζέζηκε δηεξγαζία γηα ηελ παξαγσγή πδξνγφλνπ. ηηο Ζλσκέλεο Πνιηηείεο ην πεξηζζφηεξν πδξνγφλν ζήκεξα (πάλσ απφ 90%) θαηαζθεπάδεηαη κέζσ αλακφξθσζεο ηνπ θπζηθνχ αεξίνπ κε αηκφ. Ζ παξαγσγή πδξνγφλνπ νινθιεξψλεηαη ζε δηάθνξα βήκαηα: κε ηελ αλακφξθσζε κε αηκφ, κε ηελ αληίδξαζε «κεηαηφπηζεο» ηνπ λεξνχ, θαη κε ηνλ θαζαξηζκφ πδξνγφλνπ. Ζ αληίδξαζε αλακφξθσζεο κε αηκφ CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 - Η = kj/mol CH 4 (1) Δίλαη ελδφζεξκε θαη απαηηεί εμσηεξηθή εηζξνή ζεξκφηεηαο. Λεηηνπξγία αληηδξαζηήξσλ ζε πηέζεηο 3-25 αηκφζθαηξεο θαη ζεξκνθξαζηψλ 700 C κε 850 C, είλαη νηθνλνκηθά επλντθέο. Ζ εμσηεξηθή ζεξκφηεηα πνπ απαηηείηαη γηα λα νδεγήζεη ηελ αληίδξαζε παξέρεηαη ζπρλά απφ ηελ θαχζε ελφο κέξνπο ηνπ εηζεξρφκελνπ ηξνθνδνηηθνχ αεξίνπ (κέρξη 25%) ή απφ ηε θαχζε ησλ αέξησλ απνβιήησλ, φπσο ην αέξην θαζαξηζκνχ απφ ην ζχζηεκα θαζαξηζκνχ πδξνγφλνπ. Ζ κεηαθνξά ζεξκφηεηαο ζηα αληηδξψληα νινθιεξψλεηαη έκκεζα κέζσ ελφο ελαιιάθηε ζεξκφηεηαο. Σν κεζάλην θαη ν αηκφο αληηδξνχλ ζε ζσιήλεο πνπ πεξηέρνπλ ηνλ θαηαιχηε. Υαξαθηεξηζηηθά, ε καδηθή αλαινγία αηκνχ-άλζξαθα είλαη πεξίπνπ 3 ή πεξηζζφηεξν γηα λα απνθεπρζεί «ε δεκηνπξγία θνθ» ή ε ζπγθέληξσζε άλζξαθα ζηνπο θαηαιχηεο (ζε ρακειφηεξεο αλαινγίεο αηκνχ-άλζξαθα ν ζηεξεφο άλζξαθαο κπνξεί λα παξαρζεί κέζσ ησλ δεπηεξεχσλ αληηδξάζεσλ). Μεηά ηελ αλακφξθσζε ηα αέξηα ζηέιλνληαη ζε έλαλ ή πεξηζζφηεξνπο αληηδξαζηήξεο κεηαηφπηζεο, φπνπ ην πδξνγφλν CO + H 2 O CO 2 + H 2 - ΔΗ = kj/mol CO (2) "κεηαηξέπεη" ην CO ζε H 2. Απηή ε αληίδξαζε επλνείηαη απφ ζεξκνθξαζίεο κηθξφηεξεο απφ 600 C θαη κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί θαη ζηνπο 200 C, κε αξθεηά ελεξγνχο θαηαιχηεο. Σν αέξην πνπ βγαίλεη απφ ηνλ αληηδξαζηήξα κεηαηφπηζεο πεξηέρεη ζπλήζσο H 2 (70%-80%) ζπλ CO 2, CH 4, H 2 Ο θαη κηθξέο πνζφηεηεο CO. Γηα ηελ παξαγσγή πδξνγφλνπ ε αληίδξαζε κεηαηφπηζεο νινθιεξψλεηαη ζε δχν ζηάδηα. Έλαο αληηδξαζηήξαο κεηαηφπηζεο πςειήο ζεξκνθξαζίαο πνπ ιεηηνπξγεί πεξίπνπ ζηνπο C νινθιεξψλεη έλα κεγάιν κέξνο ηεο κεηαηξνπήο, πνπ αθνινπζείηαη απφ έλαλ αληηδξαζηήξα

23 κεηαηφπηζεο ρακειφηεξεο ζεξκνθξαζίαο ( C), ν νπνίνο κεηψλεη ηε ζπγθέληξσζε ηνπ CO ζε ρακειφηεξα πνζνζηά θαη φγθν. Σν πδξνγφλν έπεηηα θαζαξίδεηαη. Ο βαζκφο θαζαξηζκνχ εμαξηάηαη απφ ηελ εθαξκνγή. ζνλ αθνξά ην βηνκεραληθφ πδξνγφλν, ηα ζπζηήκαηα απνξξφθεζεο ηαιάληεπζεο πίεζεο (PSA) ή νη κεκβξάλεο παιιαδίνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα λα παξάγνπλ πδξνγφλν κε θαζαξφηεηα 99,999%. Γηα θπςέιεο θαπζίκνπ PEM ή θσζθνξηθνχ νμένο πνπ ζπλδένληαη πνιχ κε ηνπο αλακνξθσηέο, δηαιπηηθά φπσο ην CO 2 θαη ην CH 4 είλαη αλεθηά. Δληνχηνηο ην CO πξέπεη λα κεησζεί ζε ιηγφηεξν απφ 10 ppm γηα θπςέιεο θαπζίκνπ PEM, έηζη ψζηε έλα ζχζηεκα αθαίξεζεο ηνπ CO φπσο ε πξνλνκηαθή νμείδσζε λα ρξεζηκνπνηεζεί. Έλα ζχζηεκα νμείδσζεο ην νπνίν πξνηηκάηαη είλαη εθείλν ζην νπνίν ηα αέξηα πεξλνχλ πάλσ απφ κηα θαηαιπηηθή θιίλε κε πξφζζεην αέξα. ε ζπγθεθξηκέλε ζεξκνθξαζία θαη ζε ζηνηρεηνκεηξίεο θαηαζηάζεηο, ε αληίδξαζε CO + 1/2 O 2 CO 2 είλαη πην επλντθή απφ ηελ νμείδσζε πδξνγφλνπ, έηζη ψζηε ην CO λα αθαηξείηαη ζην επίπεδν κεξηθψλ ppm. Ζ ηερλνινγία εθιεθηηθήο νμείδσζεο αλαπηχζζεηαη γηα ρξήζε κε αλακνξθσηέο ζε ζπζηήκαηα ζπκπαξαγσγήο θπςειψλ θαπζίκνπ ή ζε νρήκαηα πνπ ιεηηνπξγνχλ κε θπςέιεο θαπζίκνπ. Ζ απφδνζε ηεο ελεξγεηαθήο κεηαηξνπήο κεγάιεο θιίκαθαο αλακνξθσηψλ κεζαλίνπ κε αηκφ είλαη ίζσο 75%-80%, αλ θαη απνδφζεηο 85% κπνξνχλ λα επηηεπρζνχλ κε απνθαηάζηαζε ηεο απνξξηπηφκελεο ζεξκφηεηαο θαη αμηνπνίεζε ηεο. 3.2 Μεξηθή Ομείδσζε Σσλ Βαξέσλ Τδξνγνλαλζξάθσλ Άιιε µία ζεκαληηθή ηερληθή ζηελ παξαγσγή H 2 είλαη ε µε θαηαιπηηθή µεξηθή νμείδσζε ησλ ζπκβαηηθψλ θαπζίκσλ, ζπρλά αλαθεξνκέλε σο POX (partial oxidation) ή σο αεξηνπνίεζε. Έλα βαζηθφ πιενλέθηεκα απηήο ηεο κεζφδνπ είλαη φηη κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί µε φια ηα είδε ησλ πδξνγνλαλζξάθσλ. Ζ ζεξκηθή νμείδσζε πξαγκαηνπνηείηαη ζε atm πίεζε µε θαζαξφ νμπγφλν, ρξεζηκνπνηψληαο έλαλ εηδηθφ θαπζηήξα κέζα ζε έλα ππξίµαρν δνρείν ζε ζεξµνθξαζία 1300 ν C. Ζ γεληθή αληίδξαζε πεξηγξάθεηαη σο εμήο:

24 C x H y + x/2o 2 xco + y/2h 2 (11) ε απηή ηελ πεξίπησζε ν αηκφο δελ ρξεζηκνπνηείηαη ζηελ ηξνθνδνζία, αιιά µε ηελ ρξήζε κεγαιχηεξεο ηξνθνδνζίαο πδξνγνλαλζξάθσλ κπνξεί λα έρνπκε πνιχ άλζξαθα σο παξαπξντφλ. εδνµέλνπ φηη νη ζπλζήθεο είλαη ειεγρφµελεο δελ παξάγνληαη NOx ή SO 2, παξφια απηά εάλ ε ηξνθνδνζία πεξηέρεη νπνηεζδήπνηε ελψζεηο ζείνπ, ζα έρνπµε ζαλ παξαπξντφληα ην Ζ 2 S θαη ην COS ηα νπνία πξέπεη λα απνµαθξπλζνχλ. Έλα ζαθέο µεηνλέθηεµα είλαη ε αλάγθε γηα ηελ χπαξμε µεγάισλ δηαζέζηµσλ πνζνηήησλ O 2, πνπ έρεη σο ζπλέπεηα ηελ επέλδπζε ζε εγθαηαζηάζεηο γηα ηελ ζπλερφµελε ηξνθνδνζία ζε Ο 2. Αθνχ ην CO είλαη έλα παξαπξντφλ, πξέπεη λα ρξεζηκνπνηεζεί αηκφο ςειήο ζεξκνθξαζίαο γηα λα κεηαηξαπεί ην CO µε ηνλ αηκφ ζε H 2. Υξεηάδνληαη επηπιένλ κνλάδεο γηα ηνλ θαζαξηζκφ ηνπ αεξίνπ (θαηά έλα κεγάιν µέξνο γηα ηελ αθαίξεζε ηνπ H 2 S) θαη ηελ αθαίξεζε ηεο ηέθξαο απφ ην ρξεζηµνπνηεµέλν λεξφ. Παξάιιεια ην CO 2 αλαηξείηαη µε απνξξφθεζε θαη ηα ππνιείµµαηα ηνπ CO θαηαζηξέθνληαη απφ ηελ δηαδηθαζία µεζαληνπνίεζεο. Ζ δηαδηθαζία µεξηθήο νμείδσζεο κπνξεί λα είλαη πνιχ ζχλζεηε (ζρήκα 3.1) θαη ζε ζχγθξηζή µε ηε αλακφξθσζε αηκνχ είλαη ιηγφηεξν απνδνηηθή, εθπέκπνληαο πεξηζζφηεξν CO 2. ην ρήκα 3.1 παξνπζηάδεηαη έλα µέξνο ηεο δηαδηθαζίαο ηεο µεξηθήο νμείδσζεο, επίζεο πξέπεη λα παξαρζεί ν αηκφο θαη ην CO/H 2 πξέπεη λα θαζαξηζηεί. Έλα ραξαθηεξηζηηθφ ηεο POX ζε ζχγθξηζε µε ηελ SMR είλαη φηη ε αλαµφξθσζε είλαη µηα πνιχ θαιή δηαδηθαζία φηαλ ππάξρνπλ κεγάια απνζέκαηα απφ ππνιείµµαηα (βαξέα θιάζκαηα πεηξειαίνπ) ησλ βαξειηψλ ηνπ πεηξειαίνπ. Τπνινγίδεηαη φηη ε ζεξκηθή απφδνζε ελφο POX ηξνθνδνηνχµελν µε βαξέα θιάζκαηα πδξνγνλαλζξάθσλ, είλαη 70% ζε ζχγθξηζε µε ηελ SMR φπνπ είλαη 81%. ηε δεπηεξνβάζµηα αλαµφξθσζε πξνζηίζεηαη νμπγφλν, απηή ε δηαδηθαζία ρξεζηµνπνηείηαη ζε αλαµνξθσηέο αηκνχ, εηδηθά φηαλ απαηηείηαη κεγάιε πνζφηεηα Ζ 2 γηα ηελ ζχλζεζε αµµσλίαο. ηελ εμψζεξκε δεπηεξνβάζκηα αλακφξθσζε, ν αέξαο πξνζηίζεηαη απφ ηελ πξψηε αλακφξθσζε. Σν ππφινηπν κεζάλην αληηδξά µε ηνλ αέξα παξέρνληαο ζεξκφηεηα γηα ην CO πνπ παξάγεη ε αληίδξαζε θαη ην N 2 πνπ δελ αληέδξαζε ρξεζηκνπνηείηαη γηα ηελ ζχλζεζε ηεο αµµσλίαο.

25 ρήµα 3.1: ηάγξαµµα ξνήο ηεο δηαδηθαζίαο µεξηθήο νμείδσζεο πδξνγνλαλζξάθσλ 3.3 Παξαγσγή Τδξνγόλνπ Από Βηνκάδα Μέζνδνη παξαγσγήο ηνπ αεξίνπ πδξνγφλνπ είλαη θάπνηεο εκπνξηθέο θαη θάπνηεο πνπ αθφκα εξεπλψληαη, δειαδή είλαη ζε ζηάδην πεηξακαηηθφ. Κάπνηεο απφ ηηο κεζφδνπο φπνπ γίλεηαη πξνζπάζεηα λα εξεπλεζνχλ θαη λα αμηνπνηεζνχλ γηα λα γίλνπλ εκπνξηθέο είλαη απηέο πνπ ρξεζηκνπνηνχλ σο πξψηε χιε ηε βηνκάδα, κέξνο ηεο νπνίαο απνηεινχλ ηα ελεξγεηαθά θπηά. Μπνξνχκε λα ηηο θαηαηάμνπκε ζε δχν θαηεγνξίεο αλάινγα κε ηηο δηεξγαζίεο ζηηο νπνίεο βαζίδνληαη : ηηο ζεξκνρεκηθέο κεζφδνπο θαη ηηο βηνρεκηθέο ή βηνινγηθέο κεζφδνπο Παξαγσγή Τδξνγόλνπ - ζεξκνρεκηθέο κέζνδνη ηαλ αλαθεξφκαζηε ζηηο ζεξκνρεκηθέο κεζφδνπο κεηαηξνπήο ηεο βηνκάδαο ελλννχκε θαηά θχξην ιφγσ ηελ ππξφιπζε (θαχζε) θαη ηελ αεξηνπνίεζε. Απφ ηηο παξαπάλσ εθείλε πνπ κεηαηξέπεη ηε βηνκάδα ζε αέξηα πξντφληα είλαη ε αεξηνπνίεζε. Απηή παξάγεη έλα κίγκα κε βαζηθά ζπζηαηηθά: H 2, CO, CO 2, CH 4 θαη N 2 (εάλ πξαγκαηνπνηείηαη κε αέξα).

26 Απφ ηα αέξηα απηά κπνξεί λα παξαρζεί ζεξκηθή θαη ειεθηξηθή ελέξγεηα θαζψο θαη αέξην θαχζηκν φπσο ην πδξνγφλν. ρήκα 3.2: Απινπνηεκέλε απεηθόληζε αεξηνπνίεζεο downdraft, γηα ηελ παξαγσγή πδξνγόλνπ από ηελ ειύ θαζαξηζκνύ ιπκάησλ. Σν ζχζηεκα νπζηαζηηθά απνηειείηαη απφ έλαλ αεξηνπνίεζε downdraft, έλαλ packed-bed scrubber, έλα δνρείν θηιηξαξίζκαηνο, έλαλ αεξνζπκπιεξσκαηηθφ αλεκηζηήξα θαη έλα θαπζηήξα. Σν ζχζηεκα απηφ έρεη 4 δψλεο αληίδξαζεο νη νπνίεο είλαη: μήξαλζε, ππξφιπζε, δψλεο νμείδσζεο θαη κείσζεο. Ο θχξηνο ζηφρνο πνπ αθνινπζείηαη ζε απηή ηελ εξγαζία είλαη λα εξεπλεζεί ε δπλαηφηεηα παξαγσγήο πδξνγφλνπ απφ ηελ ειχ θαζαξηζκνχ ιπκάησλ κε ηελ ηερληθή αεξηνπνίεζεο downdraft. Δπνκέλσο ζπλήρζε ην ζπκπέξαζκα φηη ηθαλνπνηεηηθφ πνζφ πδξνγφλνπ ζα κπνξνχζε λα παξαρζεί ρξεζηκνπνηψληαο σο κηα πεγή αλαλεψζηκεο βηνκάδαο, φπσο νη μεξνί θαη undigested ζβφινη ειχνο θαζαξηζκνχ ιπκάησλ κε ηελ αεξηνπνίεζε downdraft. Σν αέξην πξντφλ πνπ παξάγεηαη απνηειείηαη θπξίσο απφ H 2, CO, CO 2, CH 4 θαη N 2 κε κέγηζηε κέζε αθαζάξηζηε ζεξκαληηθή αμία 4MJ/m 3. Γχξσ ζηα 10-11% (V/V) απηνχ ηνπ αεξίνπ πδξνγφλνπ ζα κπνξνχζε λα ρξεζηκνπνηεζεί ζηηο θπςέιεο θαπζίκνπ. Ζ ειχο θαζαξηζκνχ ιπκάησλ κπνξεί λα ζεσξεζεί σο ελαιιαθηηθή αλαλεψζηκε πεγή ελέξγεηαο απφ ηα απνιηζσκέλα θαχζηκα θαη ε πεξηβαιινληηθή ξχπαλζε κπνξεί λα κεησζεί κεξηθψο.

27 Παξαγσγή Τδξνγόλνπ - Βηνινγηθνί Μέζνδνη Ζ βηνινγηθή παξαγσγή ηνπ πδξνγφλνπ ήηαλ γλσζηή θαηά ηελ δηάξθεηα ελφο αηψλα. Σν ρακειφ ελεξγεηαθφ πεξηερφκελν ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο ππαγνξεχεη φηη νη θσηνζπλζεηηθέο δηαδηθαζίεο ιεηηνπξγνχλ ζε πςειέο κεηαηξνπέο απνδνηηθφηεηαο θαη ηνπνζεηεί απζηεξνχο πεξηνξηζκνχο ζηα νηθνλνκηθά ησλ θσηφβησλ αληηδξαζηήξσλ. Ζ κεηαηξνπή απνδνηηθφηεηαο γηα ηελ άκεζε βηνθσηφιπζε είλαη θάησ απφ 1% θαη γηα ηελ έκκεζε βηνθσηφιπζε παξακέλεη λα απνδεηρηεί. Ζ δχκσζε ρσξίο θσο ηεο βηνκάδαο ή ησλ απνβιήησλ παξνπζηάδεηαη σο κηα ελαιιαθηηθή κέζνδν ηεο βηνινγηθήο παξαγσγήο πδξνγφλνπ, ε νπνία έρεη κειεηεζεί ειάρηζηα. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε ν θξίζηκνο παξάγνληαο είλαη ην πνζφ ηνπ πδξνγφλνπ πνπ κπνξεί λα παξαρζεί αλά γξακκνκφξην ηνπ ππνζηξψκαηνο. Οη γλσζηέο δηαβάζεηο θαη ηα πεηξακαηηθά ζηνηρεία δείρλνπλ φηη ην πνιχ 2-3 mol ηνπ πδξνγφλνπ κπνξνχλ λα ιεθζνχλ απφ ηα ππνζηξψκαηα φπσο ε γιπθφδε. Ζ βηνκάδα είλαη δεπηεξνγελήο ειηαθή ελέξγεηα. Ζ ειηαθή ελέξγεηα κεηαζρεκαηίδεηαη απφ ηα θπηά κέζσ ηεο θσηνζχλζεζεο. Οη βαζηθέο πξψηεο χιεο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη είλαη ην λεξφ θαη ν άλζξαθαο πνπ είλαη άθζνλα ζηε θχζε. Ζ θσηνζπλζεηηθή δηαδηθαζία γίλεηαη ζηνπο ρισξνπιάζηεο ησλ πξάζηλσλ κεξψλ ησλ θπηψλ. Ζ δηαδηθαζία θαζψο θαη νη βηνρεκηθέο αληηδξάζεηο είλαη πνιχπινθεο, αιιά ηειηθά κπνξνχλ λα παξαζηαζνχλ κε ηε γεληθή εμίζσζε: CO 2 +H 2 Ο+8 hv ( ΦΩΣ ) CH 2 O+O Φσηνβηνινγηθή Παξαγσγή Ζ θσηνζχλζεζε αξρίδεη κε ηελ απνξξφθεζε ησλ θσηνλίσλ ζηνπο ρισξνπιάζηεο πνπ δξνπλ ζαλ θεξαίεο ζπιινγήο ηεο ελέξγεηαο. Ζ θσηνζπλζεηηθά ελεξγή αθηηλνβνιία απνηειεί πεξίπνπ ην 43% ηεο νιηθήο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο. Έλα κέξνο ηεο αθηηλνβνιίαο αλαθιάηαη, θπξίσο ην πξάζηλν, έλα κέξνο απνξξνθάηε απφ κε θσηνζπλζεηηθφ ηζηφ θαη έλα κέξνο θζάλεη ζην έδαθνο ζαλ δηάρπηε αθηηλνβνιία.

28 ηελ θαιχηεξε πεξίπησζε νη απψιεηεο απηέο είλαη ηνπιάρηζηνλ 20%. Απφ ηε ζπλνιηθή ειηαθή ελέξγεηα απνκέλεη ην πνιχ 34%, γηα ηε θσηνζπλζεηηθή δηαδηθαζία. κσο ηα θσηφληα πνπ απνξξνθνχλε, ρξεζηκνπνηνχληαη ελεξγεηαθά κφλν θαηά έλα κέξνο θαη ε κέγηζηε δπλαηή ζεσξεηηθή θσηνζπλζεηηθή απφδνζε είλαη 9,8%. Γηάθνξνη κεραληζκνί πνπ κπνξνχκε λα παξάγνπκε πδξνγφλν απφ ηελ θσηνζχλζεζε κηθξνθπθψλ Άκεζε Βηνθσηόιπζε ηελ άκεζε βηνθσηφιπζε ε θσηνζπλζεηηθή ζπζθεπή u 963 ζπιιακβάλεη ην θσο θαη ε αλαθηεκέλε ελέξγεηα ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα ζπλδέζεη ην δηαρσξηζκφ χδαηνο κε ηελ παξαγσγή ρακεινχ δπλακηθνχ ελφο reductant, ν νπνίνο κπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα λα κεηψζεη ηελ πδξνγέλεζε ηνπ ελδχκνπ. ρήµα 3.3: Άκεζε Βηνθσηόιπζε Απηή είλαη κηα πνιχ ειθπζηηθή δηαδηθαζία δεδνκέλνπ φηη ε ειηαθή ελέξγεηα ρξεζηκνπνηείηαη γηα λα κεηαηξέςεη ην λεξφ ζην νμπγφλν θαη ζην πδξνγφλν: 2H 2 O 2H 2 + O 2 Απηή ε αληίδξαζε ήηαλ ε πξψηε πνπ απνδείρηεθε, σζηφζν κηα ηέηνηα αληίδξαζε ζηα πξάζηλα άιγε είρε πξνηαζεί λσξίηεξα. Μεξηθά θπζηθά πξάζηλα άιγε θαηέρνπλ αληηζηξέςηκε πδξνγέλεζε θαη ζα κπνξνχζε ζε γεληθέο γξακκέο λα ρξεζηκνπνηεζεί ζαλ άκεζε βηνθσηφιπζε. ηελ πξαγκαηηθφηεηα κηα ελεξγεηαθή κεηαηξνπή ηνπ θσηνλίνπ έρεη απνδνηηθφηεηα πεξίπνπ 22% ηεο νξαηήο light ελέξγεηαο ζην πδξνγφλν, απφ ηελ

29 δηαδηθαζία ηεο άκεζεο βηνθσηφιπζεο. Αληίζηνηρα ζε κηα ειηαθή κεηαηξνπή ε απνδνηηθφηεηα είλαη πεξίπνπ 10%. Απηφ έρεη απνδεηρηεί ζε δσληαλνχο νξγαληζκνχο (πξάζηλα κηθξνάιγε) ζε εξγαζηεξηαθά πεηξάκαηα θάησ απφ low-light εληάζεηο θαη ζε πνιχ ρακειέο πηέζεηο ηνπ νμπγφλνπ. Δλψ ηαπηφρξνλε παξαγσγή πδξνγφλνπ θαη νμπγφλνπ έρεη απνδεηρηεί φηη γίλεηε κφλν θάησ απφ πνιχ πςειή ζέξκαλζε αδξαλνχο αεξίνπ, ην νπνίν νδεγεί φκσο ζε πνιχ ρακειέο ζπγθεληξψζεηο πδξνγφλνπ ( θαη νμπγφλνπ). Ζ δηαδηθαζία ηεο άκεζεο βηνθσηφιπζεο πξέπεη θαη αλαγθψλ λα ιεηηνπξγεί ζε κεξηθή πίεζε πιεζίνλ κηαο αηκφζθαηξαο ηνπ νμπγφλνπ. Καηά ζπλέπεηα ε επαηζζεζία ηνπ νμπγφλνπ γηα ηελ πδξνγελεηηθή ελδπκηθή αληίδξαζε θαη ε κεησκέλε παξαγσγηθφηεηα παξακέλεη ην βαζηθφ πξφβιεκα. Έγηλαλ θάπνηεο πξνζεγγίζεηο γηα ηελ ππεξλίθεζε απηνχ ηνπ πξνβιήκαηνο αιιά δελ ήηαλ πξαθηηθέο. Δπνκέλσο νη άκεζεο βηνθσηνιπηηθέο δηαδηθαζίεο είλαη πνιχ επηδήκηεο νηθνλνκηθά Έκκεζε Βηνθσηόιπζε ηελ έκκεζε βηνθσηφιπζε ηα πξνβιήκαηα ηεο επαηζζεζίαο ηνπ νμπγφλνπ ζηελ εμειηζζφκελε δηαδηθαζία ηνπ, παξαθάκπηεηαη κε ην λα ρσξίζεη ρξνληθά θαη ρσξηθά ηελ εμέιημε ηνπ νμπγφλνπ θαη ηνπ πδξνγφλνπ. ρήµα 3.4: Έκκεζε Βηνθσηόιπζε

30 Καηά ζπλέπεηα νη δηαδηθαζίεο ηεο έκκεζεο βηνθσηφιπζεο πεξηιακβάλνπλ ην ρσξηζκφ ησλ αληηδξάζεσλ παξαγσγήο H 2 θαη Ο 2 ζε ρσξηζηά ζηάδηα, πνπ ζπλδένληαη κέζσ ηεο ζηαζεξνπνίεζεο/εμέιημεο ηνπ CO 2. Μηα επεμεξγαζία απηήο ηεο έλλνηαο πεξηιακβάλεη ηέζζεξα βήκαηα: Παξαγσγή βηνκάδαο ζηηο αλνηθηέο ιίκλεο κε 10% ειηαθή απνδνηηθφηεηα. πγθέληξσζε ηεο βηνκάδαο απφ ηηο ιίκλεο. Αλαεξφβηα δχκσζε ρσξίο θσο ζηελ νπνία παξάγνληαη 4 H 2 /γιπθφδε, πνπ είλαη απνζεθεπκέλα ζηα θπθψδε θχηηαξα θαη 2 νμηθά άιαηα. Έλαλ θσηνβηναληηδξαζηήξα ζηνλ νπνίν ηα θπθψδε θχηηαξα ζα κεηέηξεπαλ ηα δχν νμηθά άιαηα ζε 8 κφξηα H 2. Οη έκκεζεο βηνθσηνιπηηθέο δηαδηθαζίεο είλαη αθφκα ζε ελλνηνινγηθφ ζηάδην, δηφηη νη πεξηζζφηεξεο είλαη πνιχ δαπαλεξέο, θνζηίδνπλ αξθεηά νη αληηδξαζηήξεο, θάπνηεο δηαδηθαζίεο ρξεηάδνληαη κεγάιε απνδνηηθφηεηα θιπ. Πξφζθαηα κηα δηαδηθαζία παξαγσγήο H 2 αλαθέξζεθε κε βάζε ηα πξάζηλα άιγε, ε νπνία έρεη απνβάιεη ην ζηάδην ηεο δχκσζεο ρσξίο θψο θαη ρξεζηκνπνηεί ην ζείν, παξά ην άδσην, ζαλ ζξεπηηθή νπζία. ε απηήλ ηελ πεξίπησζε θακία επαγσγή ηεο βηνζχλζεζεο πδαηαλζξάθσλ δελ ζεκεηψζεθε, αλ θαη ε εμέιημε ηνπ Ο 2, φπσο ζπκβαίλεη γηα ηνλ πεξηνξηζκφ ηνπ αδψηνπ, κεηψζεθε πνιχ. Δληνχηνηο αλ θαη αξρηθά ππνζηεξίρηεθε φηη απηφ ήηαλ έκκεζε βηνθσηνιπηηθή δηαδηθαζία, απηφ είλαη πξαγκαηηθά κηα άκεζε βηνθσηνιπηηθή δηαδηθαζία. πκπέξαζκα, νη έκκεζεο βηνθσηνιπηηθέο δηαδηθαζίεο είλαη νηθνλνκηθά ακθηζβεηήζηκεο θαη παξακέλνπλ αθφκε ζε πεηξακαηηθφ επίπεδν. Α. Γηαδηθαζία Εύκσζεο κε Φσο Σα θσηνζπλζεηηθά βαθηεξίδηα έρνπλ κειεηεζεί απφ θαηξφ γηαηί έρνπλ ηελ ηθαλφηεηα λα παξάγνπλ ην πδξνγφλν κέζσ ηεο δξάζεο ηνπο ζην ζχζηεκα ληηξνγέλεζεο.

31 ρήµα 3.5: Γηαδηθαζία Εύκσζεο κε Φσο Τπνινγηζκνί ηεο απνδνηηθφηεηαο ηεο κεηαηξνπήο ηεο light ελέξγεηαο ζην πδξνγφλν παξνπζηάδεη ζπρλά ηηκέο κε πξνζέγγηζε 100% αιιά απηέο νη εθηηκήζεηο αγλννχλ γεληθά ην ελεξγεηαθφ πεξηερφκελν ηνπ νξγαληθνχ ππνζηξψκαηνο. Οη πξαγκαηηθέο θσηνζπλζεηηθέο απνδνηηθφηεηεο είλαη πνιχ ρακειφηεξεο απφ ηηο ηδαληθέο. Παξά ηηο αλαθνξέο γηα ηελ απφδνζε ηεο παξαγσγήο πδξνγφλνπ, κε ηελ νπζηαζηηθά ζηηρνκεηξηθή κεηαηξνπή ησλ ππνζηξσκάησλ πδξνγφλνπ, ππάξρνπλ δηάθνξα κεηνλεθηήκαηα ζε απηφλ ηνλ ηχπν ζπζηήκαηνο : ε ρξήζε ηνπ έλδπκνπ ληηξνγέλεζεο κε ηελ έκθπηε πςειή ελεξγεηαθή απαίηεζε ηνπ ε ρακειή ειηαθή κεηαηξνπή απνδνηηθφηεηαο θαη ε απαίηεζε γηα ηελ επηκειεκέλε αλαεξφβηα θάιπςε θσηνβηναληηδξαζηήξσλ κεγάισλ πεξηνρψλ. Σειηθά ε παξαγσγή, ηα πνζνζηά θαη ε απνδνηηθφηεηα ηνπ πδξνγφλνπ απφ απηνχο ηνπο θσηνβηναληηδξαζηήξεο, φπσο θαη φια ηα άιια ζπζηήκαηα κε άκεζε αλάκεημε ηεο θσηνζχλζεζεο γηα ηελ παξαγσγή H 2, είλαη εθηθηφ λα γίλεη νηθνλνκηθά. Γεδνκέλνπ φηη ηα νξγαληθά ππνζηξψκαηα είλαη ε ηειεπηαία πεγή πδξνγφλνπ ζηηο θσηνδπκσηηθέο ή έκκεζεο βηνθσηνιπηηθέο δηαδηθαζίεο, κπνξεί λα ππνζηεξηρηεί φηη πξέπεη λα είλαη απινχζηεξα θαη πεξηζζφηεξν απνδνηηθά γηα λα εμαγάγνπλ ην πδξνγφλν απφ ηέηνηα ππνζηξψκαηα πνπ ρξεζηκνπνηνχλ κηα δηαδηθαζία δχκσζεο ρσξίο θσο.

32 Β. Γηαδηθαζία δύκσζεο ρσξίο θσο Οη δπκσηηθέο δηαδηθαζίεο κπνξνχλ λα ρξεζηκνπνηήζνπλ θάζε είδνο βηνκάδαο φπσο θαη δηάθνξα ξεχκαηα απνβιήησλ. Απηή ε δηαδηθαζία καο ελδηαθέξεη αιιά ζην κεγαιχηεξν κέξνο ηεο είλαη αλεμεξεχλεηε γηα ηε βηνινγηθή παξαγσγή πδξνγφλνπ. ρήµα 3.6: Γηαδηθαζία δύκσζεο ρσξίο θσο Ζ παξαγσγή H 2 κέζσ ηεο δηαδηθαζίαο ηεο δχκσζεο είλαη κηα αλαεξφβηα δηαδηθαζία πνπ πξαγκαηνπνηείηαη ρσξίο θσο θαη παξνπζηάδεη νκνηφηεηεο κε ηε γλσζηή δηαδηθαζία αλαεξφβηαο ρψλεπζεο. Σν κεγαιχηεξν κέξνο ηεο κηθξνβηαθήο παξαγσγήο H 2 γίλεηαη απφ ηνλ αλαεξφβην κεηαβνιηζκφ ηνπ pyruvate, πνπ δηακνξθψλεηαη θαηά ηε δηάξθεηα catabolism ησλ δηάθνξσλ ππνζηξσκάησλ. Ζ δηαθνπή pyruvate θαηαιχεηαη απφ έλα απφ ηα δχν ελδπκηθά ζπζηήκαηα: 1) Pyruvate, formate lyase (κπξκεγθηθνχ άιαηνο ) (PFL) 2) Pyruvate, ferredoxin (avodoxin) oxidor eductase(pfor) Καηά ζπλέπεηα ζηα δπν απηά βηνινγηθά ζπζηήκαηα, ην pyruvate πνπ παξάγεηαη απφ glycolysis ην νπνίν ρξεζηκνπνηείηαη (ειιείςεη νμπγφλνπ), γηα λα παξάγεη πξντφληα αθεηπιηθνχ CoA είηε κπξκεθηθνχ άιαηνο (PFL) είηε κεησκέλνπ ferredoxin (Fd θφθθηλν), απφ ηα νπνία κπνξνχκε λα παξάγνπκε πδξνγφλν. Σα εληεξηθά βαθηεξίδηα παξάγνπλ ην πδξνγφλν απφ ην κπξκεθηθφ άιαο θαη νη αθξηβήο αλαεξφβηνη νξγαληζκνί αληινχλ ην πδξνγφλν απφ Fd θφθθηλν. Οη γεληθέο παξαγσγέο πδξνγφλνπ απφ απηνχο ηνπο

33 κεηαβνιηζκνχο είλαη ζρεηηθά ρακειέο, 1-2 παξαγφκελα κφξηα H 2 αλά κφξην pyruvate. Σν ζεκαληηθφηεξν δήηεκα είλαη ε δπλαηφηεηα πξαγκαηνπνίεζεο κηαο δπκσηηθήο αληίδξαζεο ρσξίο θσο πνπ παξάγεη θνληά ζηα 12 κφξηα Ζ 2, ηα νπνία απνζεθεχνληαη κέζα ζε θάζε κφξην ηεο γιπθφδεο, ε νπνία κεηαβνιίδεηαη. Απφ κηα ζεξκνδπλακηθή πξννπηηθή, ηα επλντθφηεξα πξντφληα απφ ηε δηαθνπή ελφο κνξίνπ ηεο γιπθφδεο είλαη δπν κφξηα ησλ νμηθψλ αιάησλ θαη ηέζζεξα κφξηα H 2. Δληνχηνηο ζε γεληθέο γξακκέο θαη ίζσο ζε κηα κειινληηθή πξαθηηθή, απηή ε πξνζέγγηζε εκθαλίδεηαη ε θαιχηεξε γηα λα ππεξληθεζνχλ νη πξαθηηθνί πεξηνξηζκνί ζε φιεο ηηο θσηνβηνινγηθέο δηαδηθαζίεο ησλ κηθξναιγψλ γηα ηελ παξαγσγή Ζ 2 θαη γηα ηελ άκεζε θαη έκκεζε βηνθσηφιπζε. Γεληθφηεξα κηα ηέηνηα πξνζέγγηζε ζα κπνξνχζε επίζεο λα επεθηείλεηαη ζηηο πξναηξεηηθέο βαθηεξηαθέο δπκψζεηο ησλ ππνζηξσκάησλ ησλ απνβιήησλ, γηα λα επηηξέςεη ηελ πςειή πεξηεθηηθφηεηα θαη ηελ παξαγσγή βηνυδξνγφλνπ. Ζ πξνβιεκαηηθή θχζε ησλ θσηνβηνινγηθψλ αληηδξάζεσλ γηα ηελ παξαγσγή πδξνγφλνπ θαη ε δπλαηφηεηα ησλ δπκσηηθψλ δηαδηθαζηψλ αλαγλσξίζηεθαλ πξφζθαηα. Δληνχηνηο ην H 2 απφ κφλν ηνπ έρεη κεγάιε εκπνξηθή ζεκαζία. Μπνξεί λα ρξεζηκνπνηεζεί σο πξψηε χιε ζε πνηθίιεο βηνκεραληθέο εθαξκνγέο θαζψο επίζεο θαη σο πεγή θαζαξήο ελέξγεηαο γηα ηα θχηηαξα θαπζίκσλ 3.5 Φσηνειεθηξόιπζε Παξφκνηα απφδνζε παξνπζηάδνπλ ζπζηήκαηα ειηαθψλ ζπιιεθηψλ ζπλδεκέλσλ ζε ζεηξά έηζη ψζηε λα παξάγεηαη αξθεηή ηάζε γηα λα δηαρσξηζηεί λεξφ ζηα ζπζηαηηθά ηνπ. Ζ ζεσξεηηθή ηηκή γηα έλα ηέηνην ζχζηεκα φζσλ αθνξά ηελ απφδνζε ηνπ είλαη 40%. Χζηφζν πξαθηηθά ε ηηκή απηή πέθηεη ζην 20% µε 25%. Με ρξήζε πιηθψλ ρακεινχ θφζηνπο φπσο ηεο άκνξθεο ζηιηθφλεο ε απνδνηηθφηεηα µεηψλεηαη αθφκα πεξηζζφηεξν, ζην 5% µε 10%, φµσο απνηειεί ηε ρξπζή ηνµή θφζηνπο - απφδνζεο θαη θάλεη ηε κέζνδν νηθνλνµηθά ζπµθέξνπζα ζρεηηθά.. Μία ζρεηηθά λέα ηερλνινγία ζηελ µεηαηξνπή ειηαθήο ελέξγεηαο είλαη ε ρξήζε θσηνειεθηξνρεµηθψλ ζηνηρείσλ ή αιιηψο ζηνηρείσλ Gratzel ( photoelectrochemical cells, PEC cells ). Σα ζηνηρεία απηά απνηεινχληαη απφ έλα πςειά πνξψδεο ιεπηφ πµέλην TiO 2 µεγέζνπο ζσµαηηδίσλ πεξίπνπ 2 µε 20 nm ζε δηάµεηξν. Σν πµέλην απηφ επηθαιχπηεηαη µε

34 βαθή (dye) θαη έξρεηαη ζε επαθή µε πγξφ ειεθηξνιχηε. Σν ζχζηεµα απηφ βξίζθεηαη αλάµεζα ζε δχν δηαθαλή ειεθηξφδηα, ζπλήζσο γπαιί επηθαιπµµέλν µε αγψγηµν ζηξψµα. ηαλ θσο πξνζπίπηεη ζηελ βαθή, δεµηνπξγνχληαη δεχγε ειεθηξνλίσλ - νπψλ. Σα ειεθηξφληα µεηαπεδνχλ ζηε δψλε αγσγηµφηεηαο ηνπ ιεπηνχ θηιµ ηνπ TiO 2 θαη απφ απηφ ζην ειεθηξφδην (άλνδνο) ην νπνίν είλαη ζπλδεδεµέλν µε εμσηεξηθφ θχθισµα. ηελ νπζία ε παξαγφκελε ηάζε είλαη απηή πνπ ζα ειεθηξνιχεη ην λεξφ. Σα ειεθηξφληα νινθιεξψλνπλ ην θχθιν ηνπο µε ην λα µεηαθεξζνχλ ζηελ θάζνδν θαη µέζσ ηνπ ειεθηξνιχηε πίζσ ζηε βαθή. Παξφιν πνπ ην TiO 2 απφ µφλν ηνπ µπνξεί λα απνβάιιεη ειεθηξφληα θαηά ηελ απνξξφθεζε θσηνλίσλ ε βαθή εμππεξεηεί ζηε δηεχξπλζε ηνπ θάζµαηνο απνξξφθεζεο θαη ζηελ πεξηνρή ηνπ νξαηνχ θάζµαηνο απμάλνληαο έηζη ηελ απφδνζε. Πξνζµίμεηο άλζξαθα ζηνtio 2 έρνπλ παξφµνην απνηέιεζµα. Σηο νμεηδναλαγσγηθέο αληηδξάζεηο ζηηο νπνίεο ζπµµεηέρεη ν ειεθηξνιχηεο επηηαρχλεη θαηαιχηεο πνπ βξίζθεηαη ζηελ θάζνδν. ρήκα 3.7 Σρεκαηηθή αλαπαξάζηαζε θσηνειεθηξνρεµηθνύ ζηνηρείνπ

35 3.6 Ζιεθηξόιπζε Νεξνύ Καηά ηελ ειεθηξφιπζε ην λεξφ δηαζπάηαη ζηα βαζηθά ζηνηρεία φπνπ ην απνηεινχλ, πδξνγφλν θαη νμπγφλν µε ηελ παξνρή ειεθηξηθνχ ξεχµαηνο. Σα πιενλεθηήµαηα απηήο ηεο δηεξγαζίαο είλαη ε πςειήο θαζαξφηεηαο πδξνγφλν πνπ παξάγεηαη. Ωζηφζν απνηειεί αθξηβή µέζνδν ελ ζπγθξίζεη µε ηελ αλαµφξθσζε αηµνχ ηνπ θπζηθνχ αεξίνπ εμαηηίαο ηνπ θφζηνπο ηνπ ειεθηξηθνχ ξεχµαηνο ην νπνίν απαηηείηαη. Καηά ηελ ειεθηξφιπζε, ζηελ θάζνδν ηφληα πδξνγφλνπ (πξσηφληα) αλάγνληαη ζε πδξνγφλν ελψ ζηελ άλνδν ην λεξφ νμεηδψλεηαη ζε νμπγφλν θαη πξσηφληα. Οη δηεξγαζίεο απηέο πεξηγξάθνληαη αληίζηνηρα απφ ηηο παξαθάησ αληηδξάζεηο: ρήµα 3.8: Αλαπαξάζηαζε ειεθηξνιπηηθνύ ζηνηρείνπ 2H + (Kg)+2e - H 2(g) (ΚΑΘΟΔΟΣ) και 2H 2 O (Kg) O 2 +4H + (g)+4e - (ΑΝΟΔΟΣ) νη νπνίεο µαο δίλνπλ ην ζπλνιηθφ µεραληζµφ ηεο ειεθηξφιπζεο: 2H 2 O (Kg) O 2(g) + 2H 2(g)

36 Πιενλέθηεµα ηεο µεζφδνπ είλαη ην φηη ην παξαγφµελν νμπγφλν µπνξεί επίζεο λα εθµεηαιιεπηεί γηα βηνµεραληθή ή άιιε ρξήζε. Θεσξεηηθά 1,23 Volt εθαξκνδφκελεο ηάζεο αξθνχλ γηα ηε δηεμαγσγή ηεο ειεθηξφιπζεο. Πξαθηηθά ρξεηάδεηαη πεξηζζφηεξε ηάζε (1,55 Volt µε 1,65 Volt ). Ζ απφδνζε ηεο ειεθηξφιπζεο νξίδεηαη σο ην ιφγν ηνπ 1,23 Volt πξνο ηελ ηάζε φπνπ ρξεζηµνπνηείηαη. Με ηάζε 1,60 V έρνπµε απφδνζε: 1,23/1,60 = 0,77 = 77% Ζ ζεσξεηηθή ηηµή ππνινγίδεηαη σο εμήο. Ζ εμίζσζε ηνπ Nerst γηα ηελ θάζνδν είλαη πνπ: E C ην δπλακηθφ ζε ηζνξξνπία γηα ηε θάζνδν, Δ 2 Ζ2 ην πξφηππν δπλακηθνχ ειεθηξνδίνπ πδξνγφλνπ,2 F ην θνξηίν coulomb πνπ δηέξρεηαη απφ ην ειεθηξφδην θαη α π νη ελεξγφηεηεο πξντφλησλ θαη αληηδξψλησλ. Αλάινγα γηα ηελ άλνδν έρνπκε κε Δ 2 Ο2 ην πξφηππν δπλακηθφ ηνπ αλνδηθνχ ειεθηξνδίνπ. Καηά ζχκβαζε ζεσξνχκε Δ 2 Ζ2=0 ζεσξψληαο α Ζ2 =α Ο2 =α Ζ2Ο =1 ( φηη δειαδή Ζ 2,Ο 2 θαη Ζ 2 Ο βξίζθνληαη ζηε πξφηππε θαηάζηαζε ) ηφηε απφ ηηο παξαπάλσ ζρέζεηο έρνπκε Δα-Δc=1,229V Ζ αληίδξαζε ηεο θαζφδνπ εµπιέθεη φπσο είδαµε 4 ειεθηξφληα θαη ε νμείδσζε πξαγµαηνπνηείηαη µέζσ µηαο ζεηξάο ελδηάµεζσλ πξντφλησλ. ε απηφ νθείιεηαη ε αλάγθε επηπιένλ ηάζεο θαζψο ε φιε δηαδηθαζία ραξαθηεξίδεηαη απφ αξγφ θηλεηηθφ µεραληζµφ. Ζ ρξήζε θαηαιχηε βνεζάεη ζηε µείσζε απηήο ηεο ηάζεο θαη επηηαρχλεη ηε δηαδηθαζία. Έλαο ηδαληθφο θαηαιχηεο γηα ηελ νμείδσζε ηνπ λεξνχ ζα πξέπεη λα εμηζνξξνπεί ηελ

37 απαηηνχµελε ελέξγεηα ηνπ θάζε ελδηάµεζνπ βήκαηνο θαη επίζεο λα εμηζνξξνπεί ηνπο ξπζµνχο µεηαθνξάο θάζε ειεθηξνλίνπ. Ζ απεπζείαο ειεθηξφιπζε λεξνχ µέρξη θαη ηε δεθαεηία ηνπ 50 είρε επξεία ρξήζε ζηελ παξαγσγή πδξνγφλνπ. ήµεξα έλα µηθξφ µφλν πνζνζηφ πδξνγφλνπ παξάγεηαη θαηά απηφλ ηνλ ηξφπν ζε εθαξµνγέο θπξίσο, φπνπ ρξεηάδεηαη µηθξφο φγθνο θαζαξνχ πδξνγφλνπ. Ωζηφζν παξάιιεια παξαηεξείηαη µηα αλαγέλλεζε ηνπ ελδηαθέξνληνο µε ηελ θαηαζθεπή νινθιεξσµέλσλ ζπζηεµάησλ ειεθηξνιπηψλ ζε ζπλδπαζµφ µε εθµεηάιιεπζε αλαλεψζηµσλ πεγψλ ελέξγεηαο (ειηαθήο ή αηνιηθήο). 3.7 πζθεπέο Ζιεθηξόιπζεο Ζ ειεθηξφιπζε λεξνχ πξνο παξαγσγή αέξηνπ πδξνγφλνπ θαη νμπγφλνπ είλαη µηα δηαδηθαζία πνπ έρεη θαζηεξσζεί εδψ θαη πνιιά ρξφληα. Ζ ζπζθεπή ειεθηξφιπζεο λεξνχ παίξλεη ζηελ είζνδν θαζαξφ λεξφ θαη ζπλερέο ξεχµα θαη παξάγεη πδξνγφλν θαη λεξφ. Δίλαη νπζηαζηηθά ε αλάπνδε δηαδηθαζία απφ απηή πνπ θάλεη µηα θπςειίδα θαπζίµνπ. Ζ ηερλνινγία ηεο ζπζθεπήο ειεθηξφιπζεο µπνξεί λα εθαξµνζηεί ζε πνηθίιεο θιίµαθεο νπνπδήπνηε ππάξρεη αλεθνδηαζµφο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Μπνξεί λα βξεζεί βνιηθά θνληά ζηα ζεµεία ηεο απαίηεζεο ( γηα λα ειαρηζηνπνηήζεη ηηο δαπάλεο ππνδνµήο αεξίνπ) ή επί ησλ µεγάισλ ηφπσλ πνπ ηξνθνδνηνχλ ηηο ππνδνκέο δηαλνκήο αεξίνπ πνπ πεξηιακβάλνπλ ηα ζθάθε, ηα βπηηνθφξα ή θαη ηηο ζσιελψζεηο. Σα Electrolysers είλαη ζπλήζσο πςειήο απνδνηηθφηεηαο µε ηα θαιχηεξα δηαζέζηκα εµπνξηθά παξαδείγκαηα πνπ πιεζηάδνπλ ηελ απνδνηηθφηεηα ηεο ηάμεο ηνπ 90%. Καηά ζπλέπεηα ππάξρνπλ θαη ίρλε άλζξαθα απφ ην παξαγφκελν πδξνγφλν θαη νμπγφλν. πλεπψο πξνβιέπεηαη φηη νη κειινληηθέο ρακεινχ άλζξαθα νηθνλνκίεο ζα εθκεηαιιεπηνχλ ηελ ηερλνινγία ησλ electrolyser γηα λα παξάγνπλ πδξνγφλν ραµεινχ άλζξαθα γηα θπςέιεο θαπζίµνπ. Ζ ηερλνινγία ησλ electrolysers µπνξεί λα εθαξµνζηεί ζε πνιιά επίπεδα, παξαπάλσ απφ απηά πνπ ηζρχνπλ ζήµεξα. πζηπρψο ν θχξηνο παξάγνληαο πνπ εµπνδίδεη ηελ πξφνδν ησλ electrolysers, πέξα απφ ηηο εηδηθέο εθαξµνγέο, πνπ εμππεξεηνχλ είλαη ην µεγάιν θφζηνο. Θα πξέπεη βέβαηα λα γίλνπλ δξαζηηθέο κεηψζεηο ζην θφζηνο ησλ

38 ειεθηξνιπηηθψλ µνλάδσλ ζηελ πεξίπησζε πνπ εηζβάινπλ ζηελ µειινληηθή νηθνλνµία παξαγσγήο ραµεινχ- άλζξαθα. Τπάξρνπλ ηξεηο βαζηθνί ηχπνη ειεθηξνιπηηθψλ µνλάδσλ : 1.Αιθαιηθέο ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο ( αλαθέξεηαη ζηε θχζε ηνπ πγξνχ ειεθηξνιχηε ηνπ) 2.PEM (proton-exchange membrane µεµβξάλε αληαιιαγήο πξσηνλίσλ) ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο (αλαθέξεηαη ζην ζηεξεφ πνιπµεξή ειεθηξνιχηε) θαη 3.ηεξενχ-Ομεηδίνπ ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο (αλαθέξεηαη ζην ζηεξεφ θεξαµηθφ ειεθηξνιχηε). Οη αιθαιηθέο θαη νη PEM ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο έρνπλ απνδεηρζεί πνιχ θαιέο θαη µάιηζηα πνιιέο ρηιηάδεο µνλάδεο βξίζθνληαη ήδε ζε ιεηηνπξγία ζε αληίζεζε µε ηα electrolysers ζηεξενχ-νμεηδίνπ, πνπ αθφµα δελ έρεη απνδεηρζεί ε απφδνζε ηνπο. Σα PEM electrolysers ηαηξηάδνπλ ηδηαίηεξα ζηηο δηαλεµεµέλεο εθαξµνγέο. Οη αιθαιηθέο ειεθηξνιπηηθέο κνλάδεο θπξηαξρνχλ απηή ηελ πεξίνδν ζηελ παγθφζµηα παξαγσγή πδξνγφλνπ µέζσ ηεο ειεθηξφιπζεο Αιθαιηθέο Ζιεθηξνιπηηθέο Μνλάδεο Ζ ιεηηνπξγία ελφο αιθαιηθνχ electrolyser εμαξηάηαη απφ ηελ ρξήζε θαη ηελ θπθινθνξία ελφο ειεθηξνιπηηθνχ δηαιχµαηνο (ζπλήζσο πδξνμείδην ηνπ θαιίνπ) γηα ηελ µεηαθνξά ησλ ηφλησλ πδξνμπιίνπ. Οη αιθαιηθέο ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο ιεηηνπξγνχλ ζε ζρεηηθά ραµειέο ππθλφηεηεο ξεχµαηνο < 0,4 A/cm 2 θαη ε απνδνηηθφηεηα µεηαηξνπήο θπµαίλεηαη απφ %. Υσξίο βνεζεηηθφ εμνπιηζµφ θαζαξηζµνχ ε θαζαξφηεηα ησλ αεξίσλ είλαη ζπλήζσο 99.8% θαη 99.2% γηα ην πδξνγφλν θαη ην νμπγφλν αληίζηνηρα. Αξθεηέο αιθαιηθέο ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο ηεο ηάμεο > 100 MW έρνπλ εγθαηαζηαζεί (π.ρ. ζηελ Αίγππην θαη ην Κνλγθφ γηα λα ρξεζηµνπνηήζνπλ ηελ πδξελέξγεηα θαη λα παξάμνπλ «αλαλεψζηµν πδξνγφλν». Έλα ζχγρξνλν αιθαιηθφ electrolyser έρεη µηα απνδνηηθφηεηα ηεο ηάμεο ~90% (πνπ θαηαλαιψλεη 4 KWh ειεθηξηθήο ελέξγεηαο αλά m 3 παξαγφκελνπ πδξνγφλνπ ζε NTP) θαη

39 ζα δψζεη ην αέξην µέρξη 30 bar ρσξίο βνεζεηηθή ζπµπίεζε. Δληνχηνηο µηα ζεµαληηθή θαηαλάισζε ελέξγεηαο πθίζηαηαη µεηά ηελ ειεθηξφιπζε γηα ηελ ζπµπίεζε αεξίνπ, γηα λα δνζεί ην πδξνγφλν θαη ην νμπγφλν ζηηο πηέζεηο πνπ απαηηνχληαη απφ ηελ βηνµεραλία θαη γηα ηελ απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ζηα αλάινγα απηνθίλεηα ( bar). Οη βαζηθνί παξάγνληεο πνπ επλννχλ ηα αιθαιηθά electrolyser είλαη φηη απνθεχγνπλ ηελ ρξήζε αθξηβψλ ιεπθφρξπζσλ θαηαιπηψλ. Απηφ ηα θαζηζηά ζπλήζσο ραµειφηεξνπ θφζηνπο µνλάδεο ζε ζρέζε µε ηα PEM electrolyser Ζιεθηξνιπηηθέο Μνλάδεο Αληαιιαγήο Πξσηνλίσλ (PEM) Ζ ιεηηνπξγία ελφο PEM electrolyser εμαξηάηαη απφ ηε ρξήζε πνιχηηµσλ θαηαιπηψλ ( ιεπθφρξπζνο, ιεπθφρξπζνο/ ξνπζέλην) θαη ελφο ζηεξενχ πνιπµεξνχο ειεθηξνιχηε γηα ηελ µεηαθνξά ησλ πξσηνλίσλ. Σα PEM electrolyser έρνπλ επηηχρεη ζπλερή ιεηηνπξγία πάλσ απφ ψξεο ρσξίο απνηπρία αθφµα θαη ζε δχζθνιεο ζπλζήθεο (π.ρ. παξνρή νμπγφλνπ ζηα ππξεληθά ππνβξχρηα). Μπνξνχλ λα ιεηηνπξγήζνπλ ζε πνιχ πςειφηεξεο ππθλφηεηεο ξεχµαηνο ζε ζρέζε µε ηα αιθαιηθά electrolyser (1-2 A/cm 2 ) µε απνδνηηθφηεηα µεηαηξνπήο πνπ θπµαίλεηαη απφ 50-90% αιιά δελ µπνξνχλ αθφκα λα επηηχρνπλ πςειέο απνδφζεηο ζε πςειέο ππθλφηεηεο ξεχκαηνο. Υσξίο βνεζεηηθφ εμνπιηζµφ θαζαξηζµνχ, ε θαζαξφηεηα αεξίνπ είλαη % θαη γηα ην πδξνγφλν θαη γηα ην νμπγφλν. Ζ ιεηηνπξγία ζε πςειή πίεζε (ζπµπεξηιαµβαλνµέλεο θαη ηεο πςειήο δηαθνξηθήο πίεζεο µεηαμχ πδξνγφλνπ θαη νμπγφλνπ πνπ θηάλεη ηα 200 bar ) είλαη αλαγθαία νπφηε ρξεηάδεηαη θαη βνεζεηηθή ζπµπίεζε αεξίνπ πνπ φµσο είλαη αξθεηά ιηγφηεξε απ φηη ζε έλα αιθαιηθφ electrolyser. Οη βαζηθνί παξάγνληεο πνπ επλννχλ ηηο PEM ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο είλαη φηη δελ ρξεηάδνληαη πγξνχο ειεθηξνιχηεο ζε θπθινθνξία θαηά ηελ δηάξθεηα ιεηηνπξγίαο ηνπο θαη µπνξνχλ λα ιεηηνπξγήζνπλ ζε πςειέο ππθλφηεηεο ξεχµαηνο (µε µηθξφ ίρλνο) θαη έρνπλ ηελ εγγελή δπλαηφηεηα λα αληηµεησπίζνπλ ηηο παξνδηθέο µεηαβνιέο ηεο εηζαγφµελεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο. Ωο εθ ηνχηνπ βξίζθνπλ πνιιέο εθαξµνγέο αθφµα θαη ζε απηέο πνπ ρξεζηµνπνηνχλ αλαλεψζηµεο πεγέο ελέξγεηαο (π.ρ. θσηνβνιηατθά, αλεµνγελλήηξηεο) πνπ ε παξνρή ξεχµαηνο είλαη δηαθνπηφµελε.

40 3.7.3 ηεξενύ Ομεηδίνπ Ζιεθηξνιπηηθέο Μνλάδεο Ζ ιεηηνπξγία µηαο ζπζθεπήο ειεθηξφιπζεο ζηεξενχ νμεηδίνπ εμαξηάηαη απφ έλα ζηεξεφ θεξαµηθφ ειεθηξνιχηε (νμείδην δηξθνλίνπ/ θέξην) πνπ ζηηο ζεξµνθξαζίεο o C µεηαθέξεη ηα ηφληα νμπγφλνπ. Απηνχ ηνπ είδνπο νη ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο απαηηνχλ πεγέο πςειήο ζεξµνθξαζίαο-ζεξµφηεηαο. Με ηελ ιεηηνπξγία ζε πςειέο ζεξµνθξαζίεο, ε εηζαγσγή ζεξµφηεηαο θαιχπηεη έλα µέξνο απφ ηελ ελεξγεηαθή απαίηεζε ηεο ειεθηξφιπζεο θαη έηζη απαηηείηαη ιηγφηεξε ελέξγεηα γηα ηελ παξαγσγή ελφο m 3 πδξνγφλνπ, ζε ζρέζε µε ηηο άιιεο ζπζθεπέο ειεθηξφιπζεο. Παξφια απηά µέρξη ζήµεξα νη ειεθηξνιπηηθέο µνλάδεο ζηεξενχ νμεηδίνπ δελ έρνπλ επηηχρεη αξθεηέο ψξεο ιεηηνπξγίαο θαη δελ έρνπλ ιπζεί βαζηθά πξνβιήµαηα εθαξµνζµέλεο µεραληθήο φζνλ αθνξά ηελ αλαθχθισζε ηνπ ζεξµνχ αέξα θαη ε ζθξάγηζε ηνπ. πλεπψο δελ µπνξεί λα γίλεη θάπνηα ζχγθξηζε µε ηα αιθαιηθά θαη PEM electrolyser. Πίλαθαο 3.1 : Κχξηα ραξαθηεξηζηηθά θάζε ηχπνπ ειεθηξνιπηηθήο µνλάδαο

41 4. ΑΠΟΘΖΚΔΤΖ Τ ΡΟΓΟΝΟΤ 4.1 Δηζαγσγή Ζ απνζήθεπζε πδξνγφλνπ ππνλνεί νπζηαζηηθά ηε µείσζε ελφο πνιχ µεγάινπ φγθνπ αεξίνπ πδξνγφλνπ. 1 kg πδξνγφλνπ ζε ζεξµνθξαζία πεξηβάιινληνο θαη αηµνζθαηξηθή πίεζε θαηαιαµβάλεη 11 m 3. Γηα ηελ πξαθηηθή επνµέλσο ρξήζε ηνπ πξέπεη λα απμεζεί ε ππθλφηεηα ηνπ. Απηφ γίλεηαη είηε απμάλνληαο ηελ πίεζε ηνπ είηε µεηψλνληαο ηε ζεξµνθξαζία ηνπ, είηε ηέινο, µεηψλνληαο ηελ άπσζε µεηαμχ ησλ µνξίσλ, θαζψο απηφ αληηδξά µε θάπνην πιηθφ. Δπίζεο πνιχ ζεµαληηθφ θξηηήξην είλαη θαηά πφζν ε δηαδηθαζία ηεο απνζήθεπζεο είλαη αληηζηξέςηµε. Οη ηξφπνη απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ είλαη νη αθφινπζνη: 1. Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ µε ηελ µνξθή ζπµπηεζµέλνπ αεξίνπ. 2. Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ σο πγξφ ζε θξπνγεληθέο δεμαµελέο (cryogenics). 3. Απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ζε ζηεξεά µνξθή µε ηελ µνξθή ησλ πδξηδίσλ (hydrides). 4.2 Απνζήθεπζε Σνπ Τδξνγόλνπ ε Αέξηα Μνξθή Ζ απινχζηεξε µέζνδνο απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ είλαη απηή φπνπ ην πδξνγφλν απνζεθεχεηαη σο ζπµπηεζµέλν αέξην. Ο βαζηθφο εμνπιηζµφο πνπ απαηηείηαη γηα λα γίλεη απηφ είλαη έλαο ζπµπηεζηήο θνµπξεζέξ πδξνγφλνπ θαη ην αληίζηνηρν πηεζηηθφ δνρείν ή δεμαµελή απνζήθεπζεο. Σν αέξην πδξνγφλν µπνξεί λα απνζεθεχεηαη είηε ζε δεμαµελέο ραµειήο πίεζεο είηε ζε θπιίλδξνπο πςειήο πίεζεο. πλήζσο νη δεμαµελέο απνζήθεπζεο αέξηνπ πδξνγφλνπ ραµειήο πίεζεο, έρνπλ ζθαηξηθή αιιά θαη θπιηλδξηθή µνξθή θαη µπνξνχλ λα απνζεθεχνπλ πεξίπνπ 1.300kg πδξνγφλνπ ζε πίεζε MPa (12-16 bar). Oη θχιηλδξνη πςειήο πίεζεο (tube storage), πνπ είλαη θαη ν πην δηαδνµέλνο ηξφπνο απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ ππφ αέξηα µνξθή, ζπλήζσο

42 απνηεινχληαη απφ έλα εζσηεξηθφ ραιχβδηλν ή απφ αινπµίλην ιεπηφ θχιιν πνιχ πςειήο αληνρήο, ην νπνίν πεξηβάιιεηαη απφ αιιεπάιιειεο ζηξψζεηο απφ ζπλζεηηθά πιηθά. Γηα ηελ απνζήθεπζε θαη µεηαθνξά µεγάισλ πνζνηήησλ αέξηνπ πδξνγφλνπ ρξεζηµνπνηνχληαη δηάθνξεο ζπζηνηρίεο µεγάισλ δηαζηάζεσλ θπιίλδξσλ πςειήο πίεζεο, νη νπνίεο µπνξνχλ λα είλαη θαηάιιεια πξνζαξµνζµέλεο πάλσ ζε εηδηθή θηλνχµελε πιαηθφξµα (tube sorage trailers). Απηνχ ηνπ είδνπο νη θχιηλδξνη έρνπλ ηελ ηθαλφηεηα λα απνζεθεχνπλ µε αζθάιεηα ην αέξην πδξνγφλν αθφκα θαη ζε πηέζεηο πνπ θηάλνπλ µέρξη θαη ηα 350 bar µε απνηέιεζµα λα απνζεθεχνληαη ζεµαληηθέο πνζφηεηεο πδξνγφλνπ ζε πνιχ µηθξφ φγθν. Οη παξαπάλσ δηαηάμεηο απνζήθεπζεο ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ θαίλνληαη ζηα ζρήµαηα πνπ αθνινπζνχλ. ρήκα 4.1 ρήκα 4.2 ρήκα 4.3 εμαµελή απνζήθεπζεο αέξηνπ πδξνγόλνπ ζε ραµειή πίεζε Κύιηλδξνο απνζήθεπζεο αεξίνπ πδξνγόλνπ Απνζήθεπζε αεξίνπ πδξνγόλνπ ζε ζπζηνηρίεο Γηα ηελ ζπµπίεζε ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ ρξεζηµνπνηνχληαη εµβνινθφξνη ζπµπηεζηέο (reciprocating compressors) πνιιαπιψλ βαζµίδσλ ζπµπίεζεο. ήµεξα νη ζπµπηεζηέο ηνπ πδξνγφλνπ µπνξνχλ λα έρνπλ ηζρχ µέρξη θαη Kw θαη έρνπλ ηελ ηθαλφηεηα λα ζπµπηέδνπλ ην αέξην πδξνγφλν ζε πηέζεηο µέρξη θαη MPa ( bar), µε µία ηαρχηεηα ξνήο ε νπνία µπνξεί λα θηάλεη µέρξη θαη ηα kg/h.

43 4.3 Απνζήθεπζε Σνπ Τδξνγόλνπ ε Τγξή Μνξθή Σν αέξην πδξνγφλν θάησ απφ ηηο θαηάιιειεο ζπλζήθεο ζεξµνθξαζίαο θαη πίεζεο φπσο φια ηα αέξηα µπνξεί λα κεηαηξαπεί ζε πγξφ. Δίλαη ραξαθηεξηζηηθφ φηη ην πδξνγφλν ζε µνξθή πγξνχ µπνξεί λα απνζεθεπηεί αθφµα θαη ζε αηµνζθαηξηθή πίεζε. Ζ πγξνπνίεζε ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ πξνυπνζέηεη ηελ ςχμε ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ αέξηαο µνξθήο ζε ζεξµνθξαζία γχξσ ζηνπο C. Ζ φιε δηαδηθαζία απαηηεί µία ζπλδπαζµέλε δηάηαμε απφ ζπµπηεζηέο, ελαιιάθηεο ζεξµφηεηαο, µεραλέο εθηφλσζεο θαη ζηξαγγαιηζηηθέο βαιβίδεο, ε νπνία επηηπγράλεη ηελ ςχμε ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ ζε ηφζν ραµειή ζεξµνθξαζία. Βέβαηα γηα φιεο ηηο παξαπάλσ δηαδηθαζίεο ζα πξέπεη παξάιιεια λα θαηαλαισζνχλ ζεµαληηθά πνζά ελέξγεηαο. Ζ δηαδηθαζία πγξνπνίεζεο ηνπ πδξνγφλνπ είλαη γλσζηή σο ν θχθινο ηνπ Linde, ή Joule Thompson θαη ε πνξεία απηήο θαίλεηαη ζην ζρήµα πµπίεζε ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ 2-3. Φχμε µέζσ ελαιιάθηε 4. Δθηφλσζε θαη δηαρσξηζµφο ηεο πγξήο απφ ηελ αέξηα θάζε 5. Αλαθχθισζε ηεο αέξηαο θάζεο µέζσ ηνπ ελαιιάθηε 6. Παξαιαβή ηνπ πγξνχ πδξνγφλνπ ρήκα 4.4 Γηαδηθαζία παξαγσγήο πγξνύ πδξνγόλνπ

44 Απφ µεηξήζεηο νη νπνίεο έρνπλ πξαγµαηνπνηεζεί γηα φιε ηελ παξαπάλσ δηαδηθαζία κεηαηξνπήο ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ ζε πγξή µνξθή θάησ απφ ηδαληθέο ζπλζήθεο απαηηνχληαη 3,92 kwh/kg, ηελ ζηηγµή πνπ γηα ηελ πγξνπνίεζε ηνπ αδψηνπ απαηηνχληαη µφιηο 0,207 kwh/kg. Σν πνζφ απηφ µε βάζεη µεηξήζεσλ πνπ έρνπλ πξαγµαηνπνηεζεί θάησ απφ πξαγµαηηθέο ζπλζήθεο θηάλεη ηηο 10kWh/kg. Mε βάζε ηελ ελεξγεηαθή ηθαλφηεηα ηνπ πδξνγφλνπ σο θαχζηµν, φπνπ ηζρχεη φηη ην 1kg πγξνχ πδξνγφλνπ µπνξεί λα δψζεη 119,93 ΜJ ελέξγεηα δειαδή 33,31 kwh, θάλνληαο ηελ αληίζηνηρε δηαίξεζε βιέπνπµε φηη ε ελέξγεηα πνπ απαηηείηαη γηα ηελ πγξνπνίεζε ηνπ πδξνγφλνπ αληηπξνζσπεχεη ην 30% πεξίπνπ ηεο ζπλνιηθήο ηνπ ελέξγεηαο, ην θφζηνο ηεο νπνίαο ζε θάπνηεο πεξηπηψζεηο µπνξεί λα είλαη απαγνξεπηηθφ αθφµα θαη γηα ηελ θαηαζθεπή ηεο ίδηαο ηεο µνλάδα. Ζ απνζήθεπζε ηνπ πγξνχ πδξνγφλνπ ζα πξέπεη λα γίλεηαη µέζα ζε δεμαµελέο ζηηο νπνίεο ε ζεξµνθξαζία ζα δηαηεξείηαη θάησ απφ ηνπο - 253ºC. ηηο δεμαµελέο απνζήθεπζεο πγξνχ πδξνγφλνπ είλαη ζεµαληηθφ λα µελ κεηαθέξεηαη θαλέλα άιινπ είδνπο ζεξµφηεηαο µέζα ζηνλ εζσηεξηθφ ρψξν απνζήθεπζεο απφ ην πεξηβάιινλ, γηα µελ έρνπµε αλεπηζχµεηε µεηαηξνπή ηνπ πγξνχ πδξνγφλνπ ζε αέξην. Γηα ην ιφγν απηφ ε απνζήθεπζε ηνπ πγξνχ πδξνγφλνπ, γίλεηαη ζε εηδηθά δηαµνξθσµέλεο θαη µνλσµέλεο δεμαµελέο, νη νπνίεο νλνµάδνληαη θξπνγεληθέο δεμαµελέο δνρεία (cryogenic-vessels-containers). ιεο απηνχ ηνπ ηχπνπ νη δεμαµελέο έρνπλ δηπιά ηνηρψµαηα θαη ν ρψξνο φπνπ ππάξρεη µεηαμχ ησλ δχν ηνηρσµάησλ ζπλήζσο εθθελψλεηαη πιήξσο (δεµηνπξγείηαη θελφ αέξνο) γηα λα ειαρηζηνπνηείηαη ην πνζφ ηεο ζεξµφηεηαο πνπ ζα µεηαθέξεηαη απφ ηελ δηαθνξά ζεξµνθξαζίαο µε ην εμσηεξηθφ πεξηβάιινλ µε αθηηλνβνιία θαη µε αγσγηµφηεηα. Γηα λα εµπνδηζηεί ην θαηλφµελν ηεο µεηαθνξάο ζεξµφηεηαο µε αθηηλνβνιία ηφζν ην εμσηεξηθφ πεξίβιεµα φζν θαη ην εζσηεξηθφ, απφ ηελ ειεχζεξε-εμσηεξηθή ηνπο πιεπξά, ηα ηνηρψµαηα θαιχπηνληαη µε θχιια θνιινεηδνχο ζηιηθφλεο (πεξιίηε) ή απφ ην εηδηθφ ζπλζεηηθφ πιηθφ µε ηελ νλνκαζία MYLAR, ην νπνίν απνηειείηαη απφ έλα θξάκα πιαζηηθνχ ην νπνίν πεξηέρεη ίλεο αινπκηλίνπ. ηηο µεγάιεο ρσξεηηθφηεηαο δεμαµελέο απνζήθεπζεο πγξνχ πδξνγφλνπ, γηα λα µεησζεί αθφµα πεξηζζφηεξν ε µεηαθνξά ζεξµφηεηαο απφ ηνλ πεξηβάιινληα ρψξν, πεξηµεηξηθά ηνπνζεηείηαη άιιν έλα ζηξψµα-δηαµέξηζµα ην νπνίν είλαη γεµάην µε πγξφ άδσην. ήµεξα

45 νη πεξηζζφηεξεο δεμαµελέο δνρεία-πγξνχ πδξνγφλνπ έρνπλ θπιηλδξηθή µνξθή φπσο θαίλεηαη ζην ζρήµα 4.5 θαη είλαη ηνπνζεηνχληαη ηφζν ζε νξηδφληηα αιιά θαη θαηαθφξπθε ζέζε µε ρσξεηηθφηεηεο πνπ θπµαίλνληαη ζπλήζσο απφ m 3. Πάλησο ζα πξέπεη λα ηνληζηεί φηη ζηηο εγθαηαζηάζεηο απνζήθεπζεο πγξνχ πδξνγφλνπ µέζα ζηηο δεμαµελέο ή ζηα βπηία έρνπµε πάληα ζπλχπαξμε ηεο πγξήο µε ηελ αέξηα θάζε. ηηο εγθαηαζηάζεηο απνζήθεπζεο πγξνχ πδξνγφλνπ γηα λα έρνπµε ειεγρφµελε µεηαηξνπή ηεο πγξήο θάζεο ζε αέξηα είλαη απαξαίηεηε ε παξνπζία ηνπ ελφο επηπιένλ ζπζηήµαηνο ην νπνίν νλνµάδεηαη εμαεξησηήο. H ζπλεζέζηεξε πεξίπησζε εμαεξησηψλ είλαη απηνί νη νπνίνη ιεηηνπξγνχλ ρσξίο ηελ πξνζζήθε επηπιένλ ελέξγεηαο (ambient air evaporators) γηα ηελ εμαέξσζε ηνπ πδξνγφλνπ αιιά µφλν µε ηελ µεηαθνξά ζεξµφηεηαο απφ ηηο ζσιελψζεηο ηνπο µε ην πεξηβάιινλ. Οη εμαεξησηέο απηνχ ηνπ ηχπνπ φπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήµα 4.6, απνηεινχληαη απφ έλα πιέγµα ζσιελψζεσλ αινπµηλίνπ, νη νπνίεο θαηά ην µήθνο ηνπο είλαη θαιπµµέλεο απφ εηδηθά πξνζαξµνζµέλν µνλσηηθφ πιηθφ, έηζη ψζηε λα µελ έρνπµε ηελ απφηνκε µεηαθνξά ζεξµφηεηαο απφ ην πεξηβάιινλ ζην πγξφ πδξνγφλν. Έηζη ε µεηαηξνπή ηνπ πδξνγφλνπ απφ πγξφ ζε αέξην γίλεηαη ζηαδηαθά θαη µε ειεγρφµελν ηξφπν. ρήκα 4.5 ρήκα 4.6 Γεμακελή απνζήθεπζεο πγξνύ πδξνγόλνπ Δμαεξησηέο πδξνγόλνπ

46 4.4 Απνζήθεπζε Σνπ Τδξνγόλνπ ε ηεξεά Μνξθή Με Σελ Μνξθή Σσλ Τδξηδίσλ H απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ µε ηελ µνξθή πδξηδίσλ, βαζίδεηαη ζηε ηδηφηεηα µεξηθψλ µεηάιισλ, λα απνξξνθνχλ θαη λα εγθισβίδνπλ ην αέξην πδξνγφλν, θάησ απφ ζπλζήθεο πςειήο πίεζεο ζε ζεξµνθξαζίεο πεξηβάιινληνο. Σα ίδηα φκσο µέηαιια, φηαλ ζεξµαλζνχλ, θάησ απφ ραµειή πίεζε έρνπλ ηελ ηθαλφηεηα λα ειεπζεξψλνπλ ην αέξην ην νπνίν έρνπλ απνξξνθήζεη. Σν πιενλέθηεµα ηνπ ζπγθεθξηµέλνπ ηξφπνπ απνζήθεπζεο είλαη φηη ην αέξην πδξνγφλν γίλεηαη θνµµάηη ηνπ ίδηνπ ηνπ µεηάιινπ θαη δελ απαηηεί µεγάιεο πηέζεηο ή πνιχ ραµειέο ζεξµνθξαζίεο απνζήθεπζεο. Δπίζεο, επεηδή ην αέξην ειεπζεξψλεηαη απφ ην πδξίδην ζε ραµειή πίεζε, ζεσξεηηθά ηζρχεη φηη ηα πδξίδηα είλαη ν πην αζθαιήο ηξφπνο απφζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ. Τπάξρνπλ αξθεηνί δηαθνξεηηθνί ηχπνη πδξηδίσλ ηα πεξηζζφηεξα είλαη θπξίσο θξάµαηα - ελψζεηο ηνπ µαγλεζίνπ, ηνπ ζηδήξνπ ηνπ ληθειίνπ θαη ηνπ ηηηαλίνπ. ε γεληθέο γξαµµέο ρσξίδνληαη ζε εθείλα ηα νπνία έρνπλ δπλαηφηεηα απνξξφθεζεο µηθξψλ ή µεγάισλ πνζνηήησλ πδξνγφλνπ θαη ζε εθείλα φπνπ ε εθηφλσζε-παξνρή ηνπ πδξνγφλνπ γίλεηαη παξνπζία πςειψλ ή ραµειψλ ζρεηηθά ζεξµνθξαζηψλ. ζνλ αθνξά ηνλ παξάγνληα ηεο ζεξµνθξαζίαο, ηα πδξίδηα, ηα νπνία ειεπζεξψλνπλ ην πδξνγφλν ζε πςειέο ζεξµνθξαζίεο είλαη ζπλήζσο θζελφηεξα ζηελ θαηαζθεπή θαη θαηαθξαηνχλ µεγαιχηεξεο πνζφηεηεο απφ εθείλα ηα νπνία ιεηηνπξγνχλ αθφµα θαη ζε ραµειέο ζεξµνθξαζίεο αιιά ην βαζηθφ ηνπο µεηνλέθηεµα είλαη φηη απαηηνχλ ζεµαληηθέο πνζφηεηεο ζεξµφηεηαο µέρξη λα θηάζνπλ ζηελ θαλνληθή ζεξµνθξαζία εθηφλσζεο. Γηα ηα πδξίδηα ηα νπνία ιεηηνπξγνχλ ζε ραµειέο ζεξµνθξαζίεο (ζεξµνθξαζίεο πεξηβάιινληνο) πξάγµα ην νπνίν πνιιέο θνξέο µαο βνιεχεη ηδηαίηεξα, ην θπξηφηεξν πξφβιεµα πνπ παξνπζηάδνπλ, είλαη φηη ιφγσ ησλ ραµειψλ ζεξµνθξαζηψλ ιεηηνπξγίαο πνιιέο θνξέο µπνξεί λα έρνπµε αλεπηζχµεηε έθιπζε ηνπ αέξηνπ πδξνγφλνπ. Γηα ηνλ ιφγν απηφ, ηα πδξίδηα ηα νπνία ιεηηνπξγνχλ ζε ραµειέο ζεξκνθξαζίεο είλαη ζεµηηφ λα απειεπζεξψλνπλ ην πδξνγφλν µφλν φηαλ ππάξρνπλ ηαπηφρξνλα ζπλζήθεο πςειήο πηέζεσο

47 θάηη ην νπνίν θάλεη ηελ δηαδηθαζία ιεηηνπξγίαο ηνπο αθφµα πην πεξίπινθε. Σα θπξηφηεξα είδε µεηαιιηθψλ πδξηδίσλ θαίλνληαη ζην πίλαθα 4.1. Πίλαθαο 4.1 Κπξηόηεξα είδε κεηαιιηθώλ πδξηδίσλ 4.5 Κξπνγεληθέο πλζήθεο Απνζήθεπζεο ε πξαηήξηα αλεθνδηαζµνχ πδξνγφλνπ αιιά θαη ζηα ίδηα ηα νρήµαηα πνπ ην ρξεζηµνπνηνχλ, ην πδξνγφλν ρξεηάδεηαη λα απνζεθεπηεί ζε πνιχ πςειή πίεζε, εμαηηίαο ηνπ ραµεινχ ελεξγεηαθνχ θαη φγθν πεξηερνµέλνπ ηνπ. Έηζη ε ηππηθή πίεζε γηα ηε ζπµπίεζε ηνπ πδξνγφλνπ αλέξρεηαη ζηα 6000 psi (414 bar), φηαλ ε αληίζηνηρε πίεζε γηα ην µεζάλην είλαη θαηά 1/3 µηθξφηεξε (4000 psi ή 276 bar). ε κεξηθέο εθαξµνγέο φµσο ην πδξνγφλν θαζψο θαη άιια αέξηα (π.ρ. δηνμείδην ηνπ άλζξαθα, άδσην, ήιην, µεζάλην), απαηηείηαη λα απνζεθεχνληαη ζε πνιχ ραµειέο ζεξµνθξαζίεο γηα ηελ ειάηησζε ηνπ φγθνπ ηνπο. Οη ζεξµνθξαζίεο απηέο είλαη ζπρλά

48 αξθεηά ραµειφηεξεο απφ ηνπο -73 ν C, νπφηε θαη ραξαθηεξίδνληαη θξπνγεληθέο, ελψ ηα ίδηα ηα αέξηα θξπνγεληθά. Σέηνηεο ζπλζήθεο πξνηηµνχληαη φηαλ πξφθεηηαη γηα πξνσζεηηθά αέξηα ππξαχισλ, ζε εξγαζίεο επεμεξγαζίαο µεηάιισλ, ζε ηαηξηθέο εθαξµνγέο θαη ζηελ επεμεξγαζία ηξνθίµσλ. Κξίζηµνο παξάγνληαο γηα ηελ εθαξµνγή θξπνγεληθψλ ζπλζεθψλ, είλαη ε θξίζηµε ζεξµνθξαζία ελφο αεξίνπ, πάλσ απφ ηελ νπνία σο γλσζηφλ ην αέξην δελ µπνξεί λα πγξνπνηεζεί. Ωο απνηέιεζµα, γηα λα επηηεπρζεί ε πγξνπνίεζε θαη άξα ν ειάρηζηνο δπλαηφο φγθνο, αέξηα φπσο ην πδξνγφλν κε ρακειή θξίζηκε ζεξκνθξαζία ( T C H2 = C ) ρξεηάδεηαη λα δηαηεξνχληαη ζε θξπνγεληθέο ζπλζήθεο είηε γηα ηελ κεηαθνξά, είηε γηα ηελ απνζήθεπζή ηνπο. Σα θξπνγεληθά αέξηα παξφιν πνπ είλαη πην νηθνλνµηθά ζηελ µεηαθνξά θαη ηελ απνζήθεπζε, επηθπιάζζνπλ θηλδχλνπο. Καηαξρήλ µαιαθνί ράιπβεο, φπσο θαη ηα πεξηζζφηεξα θξάµαηα ηνπ ζηδήξνπ (ρπηνζίδεξνη), γίλνληαη ηδηαίηεξα εχζξαπζηνη ζε ηφζν ραµειέο ζεξµνθξαζίεο, ψζηε λα ππάξρεη ν θίλδπλνο αζηνρίαο ηνπο απφ θξαδαζµνχο ή ρηππήµαηα. Σν ίδην µπνξεί λα ζπµβεί θαη µε ηα ππφινηπα ζηνηρεία ηνπ εμνπιηζµνχ (π.ρ. βαιβίδεο) πνπ ζπλήζσο βξίζθνληαη ελζσµαησµέλα ζε δεμαµελέο θαη αγσγνχο µεηαθνξάο, µε θίλδπλν ελδερφµελεο ζξαχζεο θαη δηαξξνήο ηνπ πεξηερνµέλνπ ηνπο. Άξα, ρξεηάδεηαη πξνζνρή ζην πιηθφ θαηαζθεπήο ηνπ εμνπιηζµνχ πνπ πξφθεηηαη λα ρξεζηµνπνηεζεί γηα ηελ απνζήθεπζε/ µεηαθνξά πδξνγφλνπ ππφ θξπνγεληθέο ζπλζήθεο. Δπίζεο ε ραµειή ζεξµνθξαζία ηνπ δνρείνπ απνζήθεπζεο ή ηνπ ζσιήλα µεηαθνξάο, είλαη δπλαηφλ λα πξνθαιέζεη έγθαπµα ζηνπο αλζξψπηλνπο ηζηνχο εάλ ππάξμεη επαθή. Έηζη ε ζάξθα µπνξεί λα θνιιήζεη γξήγνξα επάλσ ζε επηθάλεηεο ηέηνηνπ εμνπιηζµνχ πνπ δελ έρεη µνλσζεί ζσζηά θαη λα απνθνιιεζεί απφ ην ππφινηπν ζψµα φηαλ ην ζχµα πξνζπαζήζεη λα απνµαθξχλεη ην ηξαπµαηηζµέλν µέινο. ηνπο παξαπάλσ θηλδχλνπο πξέπεη λα ζπλππνινγηζηεί θαη ν απμεµέλνο θίλδπλνο πνπ πθίζηαηαη απφ ηε δηαξξνή ηνπ θξπνγεληθνχ αεξίνπ, αθνχ ε ζπµπεξηθνξά ηνπ θαηά ηε

49 δηάξθεηα ηεο έθιπζεο θαη δηαζπνξάο είλαη εληειψο δηαθνξεηηθή απφ απηήλ ζε ζπλζήθεο πεξηβάιινληνο. 4.6 ύγθξηζε Σσλ Μεζόδσλ Απνζήθεπζεο Σνπ Τδξνγόλνπ Κάζε έλαο απφ ηνπο παξαπάλσ ηξφπνπο απνζήθεπζεο ηνπ πδξνγφλνπ έρεη ζπγθεθξηµέλα πιενλεθηήµαηα θαη µεηνλεθηήµαηα. Σν πδξνγφλν ζαλ αέξην έρεη ηελ µηθξφηεξε ππθλφηεηα απ φια ηα ππάξρνληα αέξηα, νπφηε ε απνζήθεπζή ηνπ ζε αέξηα µνξθή, απαηηεί ηελ παξνπζία πνιχ µεγάισλ δνρείσλ-δεμαµελψλ απνζήθεπζεο. Απηφ μεπεξληέηαη θαηά θάπνην ηξφπν µε ηελ απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ζε πνιχ µεγάιεο πηέζεηο φπσο ζπµβαίλεη ζηνπο θπιίλδξνπο πςειήο πίεζεο, πξάγµα φµσο πνπ µεγαιψλεη ηνλ βαζµφ επηθηλδπλφηεηαο απηνχ ηνπ είδνπο ησλ εγθαηαζηάζεσλ. Δλδεηθηηθά γηα ηελ απνζήθεπζε ζε αέξηα µνξθή, αλαθέξνπµε φηη µηα µηθξή αχμεζε ηεο ζεξµνθξαζίαο, φηαλ έρνπµε πηέζεηο πάλσ απφ ηα 300 bar, µπνξεί λα πξνθαιέζεη µία επηπιένλ αχμεζε ηεο πίεζεο ηνπ αεξίνπ µέζα ζηνλ θχιηλδξν, αθφµα θαη πεξηζζφηεξν απφ 10 %. Απηφ είλαη πάξα πνιχ επηθίλδπλν γηαηί απηή ε επηπιένλ αχμεζε ηεο πίεζεο µπνξεί λα νδεγήζεη αθφµα θαη ζε θαηαζηξνθηθή αζηνρία (ζθάζηµν) ηνπ θπιίλδξνπ µε φιεο ηηο επαθφινπζεο ζπλέπεηεο. Αληίζεηα παξφιν πνπ ζηελ πγξή µνξθή ην πδξνγφλν απαηηεί κηθξφηεξνπο φγθνπο απνζήθεπζεο, αθνχ ν φγθνο πνπ θαηαιαµβάλεη είλαη πεξίπνπ 850 θνξέο µηθξφηεξνο απφ απηφλ πνπ θαηαιαµβάλεη σο αέξην ζηηο θαλνληθέο ζπλζήθεο, γηα λα µελ δεµηνπξγνχληαη πξνβιήµαηα ππεξπίεζεο ιφγσ ηεο εμαέξσζεο ηνπ, απαηηείηαη ε απνζήθεπζή ηνπ ζε έλαλ εληειψο µνλσµέλν ρψξν-δεμαµελή ηεο νπνίαο ε ζεξµνθξαζία ζα δηαηεξείηαη πεξίπνπ ζηνπο C. Έλα φµσο άιιν πνιχ ζεµαληηθφ πξφβιεµα θαηά ηελ απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ ζε πγξή µνξθή ζε ζεξµνθξαζίεο θάησ απφ ηελ ζεξµνθξαζία βξαζµνχ ( C), είλαη ε ίδηα ε ηάζε ηνπ πδξνγφλνπ αθφµα θαη ζε ηφζν ραµειέο ζεξµνθξαζίεο λα εμαεξψλεηαη, εμ αηηίαο ηεο εζσηεξηθήο µεηαηξνπήο ηνπ oξζνχ-πδξνγφλνπ ζε παξά-πδξνγφλν. Σν πδξνγφλν ζηελ αέξηα ηνπ µνξθή θαη ζε θαλνληθέο ζπλζήθεο ζεξµνθξαζίαο θαη πίεζεο (NTP) είλαη θαηά 25% ζε µνξθή παξά-πδξνγφλνπ θαη ην ππφινηπν 75% ζε µνξθή oξζνχ-πδξνγφλνπ. Αληίζεηα ζηηο πνιχ ραµειέο ζεξµνθξαζίεο θνληά ζεµείν βξαζµνχ (ΝBP C), ην

50 πδξνγφλν γηα λα βξίζθεηαη ζε ζηαζεξή µνξηαθή θαηάζηαζε ζα πξέπεη λα είλαη φιν ζρεδφλ ζε µνξθή παξά- πδξνγφλνπ. Καηά ηελ δηαδηθαζία ηεο πγξνπνίεζεο ηνπ πδξνγφλνπ νη πνζφηεηεο πνπ είλαη ζε µνξθή oξζνχ-πδξνγφλνπ, µεηαηξέπνληαη ζε παξά-πδξνγφλν µε πάξα πνιχ αξγνχο ξπζµνχο, µε απφηέιεζµα αθφµα θαη φηαλ ην πδξνγφλν έρεη πγξνπνηεζεί πιήξσο, απφ µνξηαθήο δνµήο λα ππάξρνπλ ζεµαληηθέο πνζφηεηεο oξζνχ-πδξνγφλνπ µέζα ζε απηφ. Απηέο νη πνζφηεηεο ηνπ oξζνχ-πδξνγφλνπ, µέζα ζηνλ ίδην ηνλ ρψξν-δεμαµελή απνζήθεπζεο, ζπλερίδνπλ θαη µεηαηξέπνληαη ζε παξά-πδξνγφλν µέζσ µίαο εμψζεξµεο αληίδξαζεο ε νπνία απνδίδεη ελέξγεηα 527 kj/kg. Έηζη πξνθαιείηαη ε εμαέξσζε ηνπ πεξηερνµέλνπ ησλ θξπνγεληθψλ δεμαµελψλ, φπσο αθξηβψο ζα ζπλέβαηλε θαη µε ηελ εηζαγσγή ζεξµφηεηαο ζε απηή απφ ηνλ εμσηεξηθφ ρψξν. Ζ µεηαηξνπή ηεο πγξήο θάζεο ζε αέξηα µε απηφ ηνλ ηξφπν νλνµάδεηαη απψιεηεο ηχπνπ βξαζµνχ (boil off) θαη νη πνζφηεηεο νη νπνίεο εμαεξψλνληαη µπνξνχλ λα θηάζνπλ αθφκα θαη ζην 50% ηεο ζπλνιηθήο πγξνπνηεκέλεο πνζφηεηαο, κέζα ζε δηάζηεµα 10 εµεξψλ. Δίλαη ραξαθηεξηζηηθφ φηη απηφ ην θαηλφµελν, ιφγσ ηεο ηαπηφρξνλεο παξνπζίαο ηεο πγξήο θαη ηεο αέξηαο θάζεο, έρεη σο θπζηθφ επαθφινπζν ηελ απφηνκε αχμεζε ηεο πηέζεσο µέζα ζηα θξπνγεληθά βπηία, παξφιν πνπ φηαλ αξρηθά ππάξρεη µφλν πγξφ πδξνγφλν µέζα ζε απηά ε πίεζε µπνξεί λα είλαη θνληά ζηελ αηκνζθαηξηθή. Σέινο φζνλ αθνξά ηελ απνζήθεπζε ηνπ πδξνγφλνπ θαηά θάπνην ηξφπν ζε ζηεξεά κνξθή µε ηελ κνξθή ησλ πδξηδίσλ, θαίλεηαη απηή λα είλαη ε πην αζθαιήο κέζνδνο, αθνχ ην µέζν απνζήθεπζεο, ην νπνίν έρεη ηελ ηδηφηεηα λα απνξξνθά θαη λα απειεπζεξψλεη ην πδξνγφλν, θάησ απφ θαηάιιειεο θαη πιήξσο ειεγρφµελεο ζπλζήθεο ζεξµνθξαζίαο θαη πίεζεο. Απφ ηελ άιιε µεξηά φµσο, ην µέζν απνζήθεπζεο έρεη πάξα πνιχ µεγάιν βάξνο, µε απνηέιεζµα ε ρξήζε ηνπ ζε πάξα πνιιέο εθαξµνγέο θαη θπξίσο ζε απηέο ησλ απηνθηλνχµελσλ µέζσλ, λα είλαη απαγνξεπηηθή. Αθφµα θαη ζηελ πεξίπησζε ησλ πην απνηειεζµαηηθψλ πδξηδίσλ, απηά πεξηέρνπλ µφιηο 8% θαηά βάξνο ζε πδξνγφλν, µε απνηέιεζµα γηα ηηο ίδηεο πνζφηεηεο πδξνγφλνπ ην ζπλνιηθφ βάξνο ησλ πδξηδίσλ λα είλαη έσο θαη 30 θνξέο µεγαιχηεξν αληίζηνηρα ζε ζρέζε µε ην βάξνο ηεο πγξήο βελδίλεο, µε ην ίδην ελεξγεηαθφ πεξηερφµελν.

51 Έλα αθφµα ζεµαληηθφ µεηνλέθηεµα ησλ πδξηδίσλ θαη γηα λα µελ θαηαζηξέθεηαη ε ηθαλφηεηα απνξξφθεζήο ηνπο, είλαη ην φηη απηά ζα πξέπεη λα θνξηψλνληαη γεµίδνπλ, µε εληειψο θαζαξφ πδξνγφλν. ηνλ πίλαθα 4.2 παξνπζηάδνληαη νη ηηµέο ησλ δχν θπξηφηεξσλ παξαµέηξσλ (φγθνο θαη βάξνο) πνπ θαηαιαµβάλνπλ ηα ζπζηήµαηα απνζήθεπζεο πδξνγφλνπ είηε απηφ απνζεθεχεηαη ζε αέξηα είηε ζε πγξή είηε ζε ζηεξεή µνξθή θαη ζπγθξίλνληαη µε ηνπο αληίζηνηρνπο φγθνπο θαη βάξε ησλ ζπζηεµάησλ απνζήθεπζεο ησλ ζπµβαηηθψλ θαπζίµσλ, φπσο είλαη ε µεζαλφιε θαη ε βελδίλε, θαζψο θαη ησλ µπαηαξηψλ, ζεσξψληαο φηη θάζε ζχζηεµα έρεη ηελ ηθαλφηεηα απνζήθεπζεο ζε ελέξγεηα ίζε µε BTU δειαδή kj. Πίλαθαο 4.2 Σύγθξηζε ησλ κεζόδσλ απνζήθεπζεο ησλ ζπκβαηηθώλ θαπζίκσλ θαη ηνπ πδξνγόλνπ 4.7 Παιαηόηεξα Αηπρήµαηα Με Τδξνγόλν ην παξειζφλ έρνπλ ζεµεησζεί ζνβαξά αηπρήµαηα θαηά ηε ρξήζε ηνπ πδξνγφλνπ φρη µφλν ζε βηνµεραληθέο αιιά θαη ζε δηάθνξεο άιιεο εθαξµνγέο. Ζ θαηαλφεζή ηνπο µπνξεί λα ζπµβάιιεη νπζηαζηηθά ζηε βειηίσζε ηεο αζθάιεηαο ησλ εθάζηνηε µεζφδσλ δηαρείξηζεο (παξαγσγήο, απνζήθεπζεο, δηαλνµήο θαη ρξήζεο) ηνπ πδξνγφλνπ. Σν πην ραξαθηεξηζηηθφ παξάδεηγµα πξνέξρεηαη απφ ηελ επνρή πνπ ην πδξνγφλν είρε αξρίζεη λα βξίζθεη εθαξµνγή ζηηο αεξνπνξηθέο µεηαθνξέο. Έηζη, ζηηο 6 Μαΐνπ 1937 ζηε πεξηνρή Lakehurst ηνπ New Jersey ησλ ΖΠΑ, μέζπαζε ππξθαγηά ζην ελ πηήζε γηγαληηαίν

52 αεξφπινην Hindenburg (ζρήµα 4.7). Πηζαλνινγείηαη φηη ε ππξθαγηά πξνήιζε απφ ζπηλζήξα πνπ αλέθιεμε ηo εμσηεξηθφ. ρήκα 4.7. Σηηγκηόηππν από ηελ ππξθαγηά ζην αεξνπιάλν Ζindenburg Οη νξαηέο θιφγεο πξνέξρνληαλ απφ ηε θαχζε ηνπ πθαζµάηηλνπ θειχθνπο θαη ηεο ρξσµαηηθήο επηθάιπςεο. Μεηά ηελ έλαξμε ηεο ππξθαγηάο, ε πξχµλε παξέµεηλε πςειά γηα αξθεηά δεπηεξφιεπηα, θπξίσο ιφγσ αδξάλεηαο ηνπ αεξφπινηνπ θαη ην αλνδηθφ ξεχµα αέξα πνπ δεµηνπξγήζεθε ιφγσ ηεο ππξθαγηάο ρξσµαηηζµέλνπ πθαζµάηηλνπ θειχθνπο, αθνχ νη θαηξηθέο ζπλζήθεο πνπ επηθξαηνχζαλ ζηε πεξηνρή επλννχζαλ ηελ ειεθηξνζηαηηθή απνθφξηηζε ζην αεξφπινην, ελψ νδήγεζε ηειηθά ζηελ πιήξε θαηαζηξνθή ηνπ. Αξγφηεξα βέβαηα, ε αληηθαηάζηαζε ηνπ πδξνγφλνπ απφ ην ήιην ζηα αεξνζθάθε απηνχ ηνπ ηχπνπ, νδήγεζε ζε έλα εγγελψο αζθαιέζηεξν ζχζηεµα. Σν 1991 ζηελ επξχηεξε πεξηνρή ηεο Φξαλθθνχξηεο ζηε Γεξµαλία, µηα θπιηλδξηθή δεμαµελή πεπηεζµέλνπ πδξνγφλνπ ρσξεηηθφηεηαο 100 m 3 θαη εζσηεξηθήο πίεζεο 45 bar εμεξξάγε ζε αλχπνπην ρξφλν ρσξίο πξνθαλή αηηία. Σν θξνπζηηθφ θχµα ζε ζπλδπαζµφ µε ηελ ππξθαγηά πνπ αθνινχζεζε πξνθάιεζαλ ζηελ εγθαηάζηαζε ζνβαξέο πιηθέο δεµηέο (ρήµα 4.8).

53 Έξεπλεο πνπ αθνινχζεζαλ µεηά ην αηχρεµα απέδσζαλ ηελ αηηία ζηα γσληψδε ηµήµαηα ηνπ θπιηλδξηθνχ θειχθνπο, ηα νπνία είραλ ελνπνηεζεί µε νμπγνλνθφιιεζε. Οη απμεµέλεο ηάζεηο πνπ αζθνχληαλ ζε απηά πξνθάιεζαλ αξρηθά ξσγµέο ζην ηνίρσµα. Ζ εηζρψξεζε φµσο ηνπ πδξνγφλνπ ζηηο ξσγµέο πξνθάιεζε ηελ ηαρεία εγθάξζηα δηάδνζή ηνπο µεηψλνληαο ηελ µεραληθή αληνρή ηνπ ηνηρψµαηνο. Ωο απνηέιεζµα ην ηνίρσµα δελ µπνξνχζε πιένλ λα αληέμεη ηε ιεηηνπξγηθή πίεζε θαη ππνρψξεζε. Σν αηχρεµα απηφ έγηλε ε αηηία λα πξαγµαηνπνηεζνχλ έιεγρνη ζε φιεο ηηο δεμαµελέο πδξνγφλνπ πνπ ππήξραλ ζηε ρψξα, λα πηνζεηεζνχλ ζπγθεθξηµέλνη θαλνληζµνί γηα ηα αλψηαηα επηηξεπηά φξηα ησλ γσληψλ, λα εθζπγρξνληζηεί ν ηξφπνο µε ηνλ νπνίν ζα ππνινγηδφηαλ ζην εμήο ε δηάξθεηα δσήο µε ηελ εθαξµνγή θπθιηθψλ ηάζεσλ, θαζψο θαη λα αλαδεηεζνχλ λέεο µέζνδνη αλίρλεπζεο ξσγµψλ ζε πξψηµν ζηάδην. Αλαµθηζβήηεηα ν ξφινο απηνχ ηνπ πεξηζηαηηθνχ ζηελ πξφνδν ηεο αζθάιεηαο δεμαµελψλ απνζήθεπζεο πδξνγφλνπ ήηαλ ζεµαληηθφο. Δμάιινπ, ην 1992 ζηελ πφιε Chiba ηεο Ηαπσλίαο, ζπλέβε έθξεμε λέθνπο αηµψλ πδξνγφλνπ ζηε µνλάδα θαηαιπηηθήο αλακφξθσζεο άθζαο ελφο δηπιηζηεξίνπ. Καηά ηελ εθθίλεζε ηνπ αληηδξαζηήξα πνπ είρε ηεζεί εθηφο ιεηηνπξγίαο γηα ηελ αληηθαηάζηαζε ηνπ θαηαιχηε, ζεµεηψζεθε δηαξξνή πδξνγφλνπ ζηε γξαµµή ηξνθνδνζίαο. ε µηθξφ ρξνληθφ δηάζηεµα ην πδξνγφλν ζρεµάηηζε εθξεθηηθφ µίγµα µε ηνλ αέξα, ην νπνίν αλεθιέγε θαη εμεξξάγε. Δθηφο απφ ηηο πιηθέο δεµηέο πνπ πξνθιήζεθαλ, 9 άηνµα έραζαλ ηε δσή ηνπο θαη άιια 8 ηξαπµαηίζηεθαλ. ρήκα 4.8 Καηαζηξνθή εγθαηάζηαζεο από έθξεμε δεμακελήο πδξνγόλνπ ( Φξαλθθνύξηε 1991 ) ηηο 23 Οθησβξίνπ ηνπ 1989, ζηελ πφιε Houston ησλ ΖΠΑ, ζπλέβε µηα θαηαζηξεπηηθή έθξεμε ζε µηα µνλάδα παξαγσγήο πνιπαηζπιελίνπ. Καηά ηηο εξγαζίεο ζπληήξεζεο πνπ

54 είραλ πξνγξαµµαηηζηεί ζηε γξαµµή αλαθχθισζεο ηνπ αληηδξαζηήξα, απειεπζεξψζεθαλ ζεµαληηθέο πνζφηεηεο πδξνγφλνπ θαη αηζπιελίνπ, ε αλάθιεμε ησλ νπνίσλ νδήγεζε ζε έθξεμε ηζνδχλαµε µε 2.4 ηφλνπο ηνπ ηζρπξνχ εθξεθηηθνχ ΣΝΣ. Ζ έθξεμε θαηέζηξεςε νινζρεξψο ηελ εγθαηάζηαζε, ελψ πξνθάιεζε ην ζάλαην 22 αλζξψπσλ θαη ηνλ ηξαπµαηηζµφ 100 άιισλ. ηηο 10 Απξηιίνπ ηνπ 1989, ζηελ Καιηθφξληα ησλ ΖΠΑ, έλαο ζσιελαγσγφο εζσηεξηθήο δηαµέηξνπ 2 in µεηέθεξε αέξην πδξνγφλν ζπµπηεζµέλν ζηα psi (190 bar) γηα ηελ ηξνθνδνζία µηαο µνλάδαο πδξνγνλνδηάζπαζεο. ε έλα ζεµείν ηνπ αγσγνχ φπνπ είρε πξνεγεζεί ειεθηξνζπγθφιιεζε, παξνπζηάζηεθε δηαξξνή. Σν πδξνγφλν πνπ εθιπφηαλ µε πςειφ ξπζµφ αλεθιέγε µε απνηέιεζµα ηε δεµηνπξγία θινγνπίδαθα. Οη θιφγεο πξνθάιεζαλ ηελ ππεξζέξµαλζε θαη αξγφηεξα ηελ ππνρψξεζε ηνπ ραιχβδηλνπ ηνηρψµαηνο πάρνπο 18 cm ηνπ αληηδξαζηήξα, ν νπνίνο βξηζθφηαλ ζε µηθξή απφζηαζε απφ ην ζεµείν δηαξξνήο. Δθηφο απφ ηηο πιηθέο δεµηέο πνπ ζεµεηψζεθαλ, 7 άηνµα έραζαλ ηε δσή ηνπο θαη άιια 8 ηξαπµαηίζηεθαλ. ηηο 15 Φεβξνπαξίνπ ηνπ 1995, ζηελ πφιε Essen ηεο Γεξµαλίαο ζπλέβε ππξθαγηά θαη έθξεμε πδξνγφλνπ ζε µηα εγθαηάζηαζε παξαγσγήο επηθαιππηηθψλ ππξηηίνπ. Σν αηχρεµα μεθίλεζε φηαλ δχν αλεμάξηεηα ξεχµαηα επνμεηδηθψλ ξεηηλψλ νδεγήζεθαλ ζηνλ ίδην αληηδξαζηήξα µαδί µε πδξνγφλν, νπφηε θαη άξρηζαλ λα αληηδξνχλ. Ζ εμψζεξµε αληίδξαζή ηνπο ππεξζέξµαλε ην ζχζηεµα (αληηδξαζηήξαο θαη γξαµµέο ηξνθνδνζίαο), µε απνηέιεζµα ηελ δξαµαηηθή αχμεζε ηεο πίεζεο ζην ζσιήλα µεηαθνξάο πδξνγφλνπ πνπ νδήγεζε ζηε δηάξξεμή ηνπ. Ζ εθηφλσζε ηνπ πδξνγφλνπ ζηνλ θιεηζηφ ρψξν ηεο µνλάδαο αλαµίρζεθε µε ηνλ αέξα, αλεθιέγε θαη ηειηθά εμεξξάγε. Πέληε άηνµα πνπ βξίζθνληαλ ζηνλ ρψξν ελεπιάθεζαλ ζηελ ππξθαγηά, µε απνηέιεζµα 4 απφ απηνχο λα ηξαπµαηηζηνχλ ζνβαξά θαη ν έλαο λα βξεη θξηθηφ ζάλαην. Σν θξνπζηηθφ θχµα πνπ δεµηνπξγήζεθε απφ ηελ έθξεμε ηνπ λέθνπο αεξίνπ πδξνγφλνπ, πξνθάιεζε πιηθέο δεµηέο χςνπο 6.7 εθαη. $ (ηηµέο 1995). Άιια πεξηζηαηηθά, γηα ηα νπνία φµσο είλαη δηαζέζηµα ιηγφηεξα ζηνηρεία, πεξηιαµβάλνπλ µηα ππξθαγηά ζε µνλάδα πδξνγνλαπφζεζεο θαηά ηελ εθθίλεζε ηεο ιεηηνπξγίαο εθεδξηθνχ ζπµπηεζηή πδξνγφλνπ µε 2 ηξαπµαηίεο (Sakaide, Ηαπσλία, 1994), ηελ έθξεμε αεξίνπ πδξνγφλνπ θαη αλάπηπμε θινγνπίδαθα µεηά ην ζπάζηµν ηνπ αγσγνχ µεηαθνξάο ηνπ (Καιηθφξληα, ΖΠΑ, 1996), ηελ ππξθαγηά ζε µνλάδα ζχλζεζεο αµµσλίαο απφ δηαθπγή

55 πδξνγφλνπ (Ijmuiden, Οιιαλδία, 1993), ηελ έθξεμε µηαο δεμαµελήο απνζήθεπζεο πδξνγφλνπ (Yorkshire, UK, 1996), ηελ έθξεμε απφ δηαξξνή πδξνγφλνπ ζε εξεπλεηηθφ εξγαζηήξην (Μαζαρνπζέηε, ΖΠΑ,1986) µε 3 ηξαπµαηίεο, θαη ηελ έθξεμε λέθνπο πνπ δεµηνπξγήζεθε απφ δηαξξνή πδξνγφλνπ µε ηε θαηαζηξνθή µηαο νιφθιεξεο εγθαηάζηαζεο (Οπθξαλία, Ρσζία, 1990).

56 5. ΚΤΦΔΛΔ ΚΑΤΗΜΟΤ 5.1 Δηζαγσγή Σν πδξνγφλν αλακέλεηαη λα είλαη καδί κε ηελ ειεθηξηθή ελέξγεηα, ν πιένλ ζεκαληηθφο κειινληηθφο θνξέαο ελέξγεηαο γηα πνιιέο ζηαζεξέο θαη θηλεηέο εθαξκνγέο, κε πξννπηηθή πεξηνξηζκνχ ηνπ θαηλνκέλνπ ηνπ ζεξκνθεπίνπ, ηδηαίηεξα ζε ζπλδπαζκφ κε ηελ ρξήζε αλαλεψζηκσλ πεγψλ ελέξγεηαο γηα ηελ παξαγσγή ηνπ. Δίλαη αλαγλσξηζκέλν ζήκεξα φηη ην πδξνγφλν θαη ν ειεθηξηζκφο σο θνξείο ελέξγεηαο, ζε ζπλδπαζκφ κε θχηηαξα θαπζίκνπ, ηα νπνία παξέρνπλ πνιχ απνηειεζκαηηθνχο βαζκνχο απφδνζεο θαηά ηελ κεηαηξνπή ηεο ρεκηθήο ελέξγεηαο, απνηεινχλ έλαλ απφ ηνπο πιένλ ππνζρφκελνπο δξφκνπο γηα ηελ επίηεπμε ελφο κέιινληνο ρσξίο ξχπνπο, βαζηζκέλνπ ζε βηψζηκε ελέξγεηα. Έηζη εξρφκαζηε ζηελ αλάγθε λα ρξεζηκνπνηήζνπκε ην πδξνγφλν ζηηο κεραλέο εζσηεξηθήο θαχζεο. Απηφ κπνξεί λα πξαγκαηνπνηεζεί κε ηελ βνήζεηα ησλ θπςειψλ θαπζίκνπ 5.2 Ηζηνξία Σσλ Κπςειώλ Καπζίκνπ ρήµα 5.1: Τν πεηξάµα ηνπ Sir William Robert Grove

57 Ζ ηζηνξία ηεο θπςειίδαο θαπζίµνπ αλάγεηαη πίζσ ζην δέθαην έλαην αηψλα θαη ράξηλ ζηελ εξγαζία ηνπ βξεηαλνχ δηθαζηή θαη επηζηήµνλα, Sir William Robert Grove, ν νπνίνο ζεσξείηαη παηέξαο ησλ θπςειίδσλ θαπζίµνπ. Σα πεηξάµαηά ηνπ ην 1839 ζηελ ειεθηξφιπζε ή ρξήζε ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο γηα λα ρσξίζεη ην λεξφ ζε πδξνγφλν θαη νμπγφλν νδήγεζαλ ζηελ πξψηε αλαθνξά µηαο ζπζθεπήο πνπ ζα νλνµαδφηαλ αξγφηεξα σο θπςειίδα θαπζίµνπ. Ο Grove δηαινγίζηεθε φηη είλαη δπλαηφ λα αληηζηξαθεί ε δηαδηθαζία ειεθηξφιπζεο θαη λα παξαρζεί ειεθηξηθή ελέξγεηα απφ ηελ αληίδξαζε ηνπ νμπγφλνπ µε ην πδξνγφλν. Γηα λα εμεηάζεη απηήλ ηε ζεσξία εζψθιεηζε δχν ινπξίδεο ιεπθφρξπζνπ ζε ρσξηζηά ζθξαγηζµέλα µπνπθάιηα: έλα πνπ πεξηείρε πδξνγφλν θαη έλα νμπγφλν. ηαλ απηά βπζίζηεθαλ ζε αξαηφ ζεηηθφ νμχ, έλα ξεχµα άξρηζε λα ξέεη µεηαμχ ησλ δχν ειεθηξνδίσλ θαη λεξφ ζρεµαηίζηεθε ζηα µπνπθάιηα. Πξνθεηµέλνπ λα απμεζεί ε παξαρζείζα ηάζε, ν Grove ζπλέδεζε αξθεηέο απφ απηέο ηηο ζπζθεπέο ζηε ζεηξά θαη δεµηνχξγεζε απηφ πνπ νλφµαζε µπαηαξία αεξίνπ (gas battery). ρήµα 5.2: Sir William Robert Grove, ν παηέξαο ησλ θπςέισλ θαπζίµνπ Ζ πξφζθαηε ηζηνξία ηεο θπςειίδαο θαπζίµνπ μεθηλά ζηηο αξρέο ηεο δεθαεηίαο ηνπ '60. Μηα αληηπξνζσπεία ηεο αµεξηθαληθήο θπβέξλεζεο, ε εζληθή αεξνλαπηηθή θαη ε δηαζηεµηθή δηνίθεζε (NASA), έςαρλαλ έλαλ ηξφπν λα ηξνθνδνηήζνπλ µηα ζεηξά επεξρφµελσλ επαλδξσµέλσλ δηαζηεµηθψλ πηήζεσλ. Ζ NASΑ είρε απνθιείζεη ήδε, ρξεζηµνπνηψληαο ηηο µπαηαξίεο, δεδνµέλνπ φηη ήηαλ πάξα πνιχ βαξηέο, ηελ ειηαθή ελέξγεηα δεδνµέλνπ φηη ήηαλ πάξα πνιχ αθξηβή θαζψο θαη ηελ

58 ππξεληθή ελέξγεηα ιφγσ ηεο επηθηλδπλφηεηαο ηεο, µε απνηέιεζµα λα αλαδεηά µηα ελαιιαθηηθή ιχζε. Ζ θπςειίδα θαπζίµνπ ζεσξήζεθε σο πηζαλή ιχζε θαη ε NASA αλάζεζε δηάθνξεο εξεπλεηηθέο ζπµβάζεηο γηα λα αλαπηχμεη έλα πξαθηηθφ ζρέδην εξγαζίαο. Απηή ε αλαδήηεζε νδήγεζε ζηελ αλάπηπμε ηεο πξψηεο µεµβξάλεο αληαιιαγήο πξσηνλίσλ (PEM). Σν 1955, ν Willard Thomas Grubb, έλαο ρεµηθφο, ηξνπνπνίεζε πεξαηηέξσ ην αξρηθφ ζρέδην θπςειίδσλ θαπζίµνπ µε ηε ρξεζηµνπνίεζε µηαο sulphonated polystyrene ionexchange membrane σο ειεθηξνιχηε. Σξία έηε αξγφηεξα έλαο άιινο Γεξµαλφο ρεµηθφο, ν Leonard Niedrach, επηλφεζε έλαλ ηξφπν απφζεζεο ιεπθφρξπζνπ πάλσ ζε απηήλ ηε µεµβξάλε θαη απηή έγηλε γλσζηή σο "θπςειίδα θαπζίµνπ Grubb- Niedrach θαη ρξεζηµνπνηήζεθε ζην δηαζηεµηθφ πξφγξαµµα Gemini. Απηή ήηαλ ε πξψηε εµπνξηθή ρξήζε ησλ θπςειίδσλ θαπζίµνπ. ρήµα 5.3: Γηάγξακκα απόδνζε ηεο θπςέιεο θαπζίκνπ ζε ζύγθξηζε κε άιιεο ηερλνινγίεο

59 ρήµα 5.4: Παξάδεηγκα ιεηηνπξγίαο θπςέιεο θαύζηκνπ ρήµα 5.5: Λεηηνπξγία Fuel Cell Φεκηθή αληίδξαζε

60 ρήκα 5.6 Λεηηνπξγία ειεθηξόιπζεο Φεκηθή αληίδξαζε ρήµα 5.7:Σρεκαηηθά δηαγξάκκαηα δηαθόξσλ εηδώλ θπςειώλ θαπζίκνπ

61 ρήµα 5.8: Κπςέιε θαπζίκνπ από ην δηαζηεκόπινην Apollo 11 ρήµα 5.9: Καηαζθεπή PEM Electrolyser 5.3 Αξρή Λεηηνπξγίαο Κπςέιεο Καπζίµνπ Οη θπςέιεο θαπζίµνπ µπνξνχλ λα ηαμηλνµεζνχλ βάζε ηνπ ηχπνπ ηνπ ειεθηξνιχηε ηνλ νπνίν ρξεζηµνπνηνχλ. Σν πην γλσζηφ είδνο είλαη ε θπςέιε θαπζίµνπ µε µεµβξάλε αληαιιαγήο πξσηνλίνπ ( PEM ). Μία θπςέιε θαπζίµνπ PEM απνηειείηαη ελ ζπληνµία απφ ηα εμήο µέξε:

62 ρήµα 5.10 : Κπςέιε Καπζίµνπ χν ειεθηξφδηα, ηα νπνία δηαρσξίδνληαη απφ µία µεµβξάλε, ε νπνία έρεη ην ξφιν ηνπ ειεθηξνιχηε. Μεηαμχ απηήο ηεο πνιπµεξηζµέλεο µεµβξάλεο θαη ησλ ειεθηξνδίσλ ππάξρεη έλα ζηξψµα θαηαιχηε. Αξγφηεξα ζα µειεηήζνπµε ηα µέξε µηαο θπςέιεο αλαιπηηθφηεξα. πλνπηηθά, ε δηαδηθαζία παξαγσγήο ειεθηξηζµνχ πεξηγξάθεηαη απφ ηα παξαθάησ επηµέξνπο ζηάδηα. Σν πδξνγφλν ηξνθνδνηεί ηελ άλνδν ηεο θπςέιεο, ην αξλεηηθφ ειεθηξφδην, ην νπνίν εξρφµελν ζε επαθή µε ηνλ θαηαιχηε δηαρσξίδεηαη ζε ζεηηθά θνξηηζµέλα ηφληα πδξνγφλνπ θαη ειεθηξφληα. Ζ άλνδνο θαη ν θαηαιχηεο είλαη ηέηνηαο θαηαζθεπήο ψζηε ε δηάρπζε ησλ αηφµσλ ηνπ πδξνγφλνπ λα γίλεηαη µε νµνγελή ηξφπν. Σα ειεθηξφληα ηα νπνία απειεπζεξψζεθαλ µεηαθέξνληαη µέζσ εμσηεξηθνχ ειεθηξηθνχ θπθιψµαηνο πξνο ηελ άλνδν δεµηνπξγψληαο ειεθηξηζµφ αθνχ ε µεµβξάλε απνηξέπεη ηε δηέιεπζε ηνπο µέζσ απηήο. Γηα απηφ ην ιφγν άλνδνο θαη θαηαιχηεο δηαιέγνληαη αγψγηµα πιηθά. Σα ζεηηθά θνξηηζµέλα ηφληα ηνπ πδξνγφλνπ (ζηελ νπζία αλαθεξφµαζηε ζε µεµνλσµέλα πξσηφληα) δηαπεξλνχλ ηε µεµβξάλε θαη ελψλνληαη µε ην νμπγφλνπ ην νπνίν ηξνθνδνηεί ηελ θάζνδν, ην ζεηηθά θνξηηζµέλν ειεθηξφδην, θαη παξάγεηαη λεξφ. πσο θαη πξηλ, ηελ νµνγελή δηάρπζε ηνπ νμπγφλνπ ζηνλ θαηαιχηε εμαζθαιίδεη ε θαηαζθεπή ηνπ ειεθηξνδίνπ. Ο θαηαιχηεο αλαιαµβάλεη ηελ επηηάρπλζε ηεο δεµηνπξγίαο ηνπ λεξνχ απφ ηα ζπζηαηηθά ηνπ. ην ζρεµαηηζµφ ηνπ λεξνχ ζπµµεηέρνπλ εθηφο ησλ µνξίσλ ηνπ

63 νμπγφλνπ θαη ησλ ηφλησλ ηνπ πδξνγφλνπ, ηα ειεθηξφληα ηα νπνία δηνρεηεχηεθαλ µέζσ ηνπ εμσηεξηθνχ ειεθηξηθνχ θπθιψµαηνο ζηελ θάζνδν, ζηελ αξρή ηεο δηαδηθαζίαο. Σα δχν ζηξψµαηα (ζηεξηδφµελνπ) θαηαιχηε ρξεζηµεχνπλ ζηελ αχμεζε ηεο ηαρχηεηαο ησλ αληηδξάζεσλ δηάζπαζεο ηνπ µνξίνπ ηνπ πδξνγφλνπ θαη ηεο έλσζεο πδξνγφλνπ νμπγφλνπ γηα ηε δεµηνπξγία λεξνχ, ζηελ άλνδν θαη ζηελ θάζνδν αληίζηνηρα. πλήζσο απνηειείηαη απφ έλα πνιχ ιεπηφ ζηξψµα ιεπθφρξπζνπ ( Pt ) πάλσ ζε επηθάλεηα άλζξαθα. Σν ζηξψµα απηφ είλαη θαη ην µέξνο ηνπ θαηαιχηε ην νπνίν βξίζθεηαη ζε επαθή µε ηε µεµβξάλε. Ο θαηαιχηεο είλαη ηξαρχο θαη πνξψδεο ψζηε λα µεγηζηνπνηεί ε εθηεζεηµέλε επηθάλεηα ηνπ. Οη ρεµηθέο αληηδξάζεηο νη νπνίεο ραξαθηεξίδνπλ ηα παξαπάλσ βήµαηα, ζπλνςίδνληαη παξαθάησ. ηελ άλνδν 2H 2 4H + + 4e - ηελ θάζνδν O 2 +4H + +4e - 2H 2 O Οιηθή αληίδξαζε 2H 2 +O 2 2H 2 O Οη παξαπάλσ αληηδξάζεηο ζε µία απιή θπςέιε θαπζίµνπ παξάγεη πεξίπνπ ζηα 0,7 Volts.Πξνθεηµέλνπ λα παξαρζνχλ µεγαιχηεξεο (θαη πξαθηηθά αμηνπνηήζηµεο) ηάζεηο, ρξεζηµνπνηνχληαη πεξηζζφηεξεο θπςέιεο ζε ζεηξά ( fuel cell stack ). 5.4 Σύπνη Κπςέισλ Καπζίµνπ Έμη θαηεγνξίεο θπςειίδσλ θαπζίµνπ έρνπλ πξνθχςεη σο βηψζηµα ζπζηήµαηα γηα ην παξφλ θαη εγγχο µέιινλ : 1. Κπςειίδα Καπζίµνπ µε Μεµβξάλε Αληαιιαγήο Πξσηνλίσλ, Proton Exchange Membrane or Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC) 2. Καπζίµνπ µε Άµεζε Παξνρή Μεζαλφιεο, Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 3. Αιθαιηθή Κπςειίδα Καπζίµνπ, Alkaline Fuel Cell (AFC)

64 4. Κπςειίδα Καπζίµνπ Φσζθνξηθνχ Ομένο, Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) 5. Κπςειίδα Καπζίµνπ ηεξενχ Ομεηδίνπ, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 6. Κπςειίδα Καπζίµνπ Σεγµέλνπ Αλζξαθηθνχ Άιαηνο, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Κπςέιε Καπζίµνπ Πνιπµεξηζµέλεο Μεµβξάλεο (PEM) Απηέο νη θπςέιεο (θπςέιεο θαπζίµνπ αληαιιαγήο πξσηνλίσλ, proton exchange membrane fuel cells, PEM ) ιεηηνπξγνχλ ζε ζρεηηθά ραµειέο ζεξµνθξαζίεο θαη παξάγνπλ ηζρχ αξθεηή γηα ηελ εθαξµνγή ηνπο γηα ηελ ηθαλνπνίεζε θαζεµεξηλψλ ελεξγεηαθψλ αλαγθψλ, φπσο απηή γηα ηελ θίλεζε ελφο νρήµαηνο. ε απηφ βνεζά ε ηθαλφηεηα ηνπο λα πξνζαξµφδνληαη ζε γξήγνξεο απμνµεηψζεηο ζηελ απαίηεζε ηζρχνο. Ζ ηζρχο πνπ παξάγεη µηα ηέηνηα θπςέιε θπµαίλεηαη µεηαμχ ησλ 50 θαη 250 kw. Ο ζπγθεθξηµέλνο ηχπνο θπςέιεο είλαη αξθεηά επαίζζεηνο ζε µε θαζαξά θαχζηµα. Ζ έξεπλα πάλσ ζηηο θπςέιεο θαπζίµνπ φζσλ αθνξά εθαξµνγέο ηνπο ζηελ ηξνθνδφηεζε νρεµάησλ απηή ηε ζηηγµή είλαη επηθεληξσµέλε θπξίσο ζε απηφλ ηνλ ηχπν Κπςέιε Καπζίµνπ Μεζαλόιεο (DMFC) ε φιεο ηηο παξαπάλσ θπςέιεο σο θαχζηµν ρξεζηµνπνηείηαη ην πδξνγφλν. Ωζηφζν ν ζπγθεθξηµέλνο ηχπνο θπςειψλ ( direct methanol fuel cells, DMFC ) ρξεζηµνπνηεί σο θαχζηµν µεζαλφιε ρσξίο λα απαηηεί ηε µεηαηξνπή ηεο ζε πδξνγφλν. ε απηή ηελ πεξίπησζε ε µεζαλφιε είλαη απηή πνπ νμεηδψλεηαη ζηελ άλνδν. Ζ θαηεγνξία απηή είλαη πην πξφζθαηε ησλ θπςειίδσλ PEM µε αξθεηά αθφµα πξνβιήµαηα πξνο επίιπζε, φπσο ε µεγάιε πνζφηεηα θαηαιχηε φπνπ απαηηείηαη. Ωζηφζν εάλ ε ζπγθεθξηµέλε ηερλνινγία επξφθεηην λα ρξεζηµνπνηεζεί ζηε ζέζε ησλ PEM θπςέισλ δε ζα ππήξρε ε αλάγθε αλαδήηεζεο ελαιιαθηηθψλ ηξφπσλ απνζήθεπζεο ηνπ θαπζίµνπ, φπσο γίλεηαη ζηε δεχηεξε πεξίπησζε µε ην πδξνγφλν ελψ δε ζα ήηαλ αλαγθαία θαη ε αλάπηπμε αλαµνξθσηψλ.

65 5.4.3 Αιθαιηθή Κπςειίδα Καπζίµνπ, Alkaline Fuel Cell (AFC) Αλ θαη νη θπςειίδεο θαπζίµνπ PEM ρξεζηµνπνηήζεθαλ ζην πξψην επαλδξσµέλν δηαζηεµηθφ ζθάθνο, νη αιθαιηθέο θπςειίδεο θαπζίµνπ (Alkaline fuel cell) ρξεζηµνπνηήζεθαλ ζην ζρέδην Apollo ηεο NASA. Σν πξφβιεµα ηνπ αξγνχ ξπζµνχ αληίδξαζεο ππεξληθηέηαη µε ηε ρξεζηµνπνίεζε ηδηαίηεξα πνξσδψλ ειεθηξνδίσλ θαη µε έλαλ θαηαιχηε ιεπθφρξπζνπ, ιεηηνπξγψληαο πνιιέο θνξέο ζε αξθεηά πςειέο πηέζεηο. Αλ θαη θάπνηα ηζηνξηθά ζεµαληηθέο αιθαιηθέο θπςειίδεο θαπζίµνπ ιεηηνπξγoχζαλ ζε ζεξµνθξαζία 200 ν C, ε ζπλεζέζηεξε ζεξµνθξαζία ιεηηνπξγίαο είλαη θάησ απφ ηνπο 100 ν C. Σν θχξην πξφβιεµά ηνπο, είλαη φηη ε παξνρή αέξα θαη θαπζίµνπ επηβάιιεηαη λα µελ πεξηέρεη δηνμείδην ηνπ άλζξαθα (CO2) ή λα παξέρεηαη θαζαξφ νμπγφλν θαη πδξνγφλν Κπςειίδα Καπζίµνπ Φσζθνξηθνύ Ομένο, Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Οη θπςέιεο θσζθνξηθνχ νμένο (phosphoric - acid fuel cells, PAFC ) είλαη απηέο φπνπ είλαη δηαζέζηµεο ζήµεξα ζην εµπφξην. Ζ απφδνζε ελφο ηέηνηνπ ζπζηήµαηνο θπµαίλεηαη ζε αξθεηά πςειά επίπεδα. Οη ζεξµνθξαζίεο ιεηηνπξγίαο ηνπ βξίζθνληαη ζηελ πεξηνρή ησλ 150 µε 200 o C. ε ραµειφηεξεο ζεξµνθξαζίεο ην θσζθνξηθφ νμχ γίλεηαη θαθφο ηνληηθφο αγσγφο θαη ην µνλνμείδην ηνπ άλζξαθα CO ην νπνίν ζρεµαηίδεηαη πάλσ ζηνλ θαηαιχηε δειεηεξηάδεη ηελ άλνδν ξίρλνληαο πάξα πνιχ ηελ απφδνζε. Ωζηφζν ηα επίπεδα αλνρήο ηεο ζπγθέληξσζεο ηνπ CO είλαη ηέηνηα ψζηε λα επηηξέπεη πεξηζζφηεξα είδε θαπζίµσλ γηα ηε ηξνθνδφηεζε ηνπ. ηελ πεξίπησζε ηεο ζπµβαηηθήο βελδίλεο σζηφζν πξέπεη λα απνµαθξπλζνχλ ηα ζνπιθίδηα. Σα µεηνλεθηήµαηα ησλ PA θπςέισλ θαπζίµνπ, είλαη ην µεγάιν µέγεζνο θαη βάξνο, ν αθξηβφο θαηαιχηεο φπνπ ρξεζηµνπνηείηαη (ιεπθφρξπζνο) ελψ ην ξεχµα ην νπνίν παξάγεηαη είλαη ραµειφ θαη ε ηζρχο ζπγθξίζηµε µε απηή άιισλ ηχπσλ θπςέισλ θαπζίµνπ. Οη ειεθηξνρεµηθέο αληηδξάζεηο πνπ ραξαθηεξίδνπλ απηφλ ηνλ ηχπν είλαη ίδηεο µε απηήο ηεο PEM θπςέιεο Κπςειίδα Καπζίµνπ ηεξενύ Ομεηδίνπ, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Ο ζπγθεθξηµέλνο ηχπνο θπςέισλ (solid oxide fuel cells, SOFC ), φπσο θαη ν επφµελνο, ελδείθλπηαη γηα απμεµέλεο ελεξγεηαθέο αλάγθεο, µε απφδνζε ζην 60% θαη παξαγφµελε ηζρχ µέρξη θαη 100kW. Απηά ηα ζπζηήµαηα ρξεζηµνπνηνχλ ζπλήζσο σο ειεθηξνιχηε έλα

66 ζθιεξφ θεξαµηθφ πιηθφ ζηεξενχ νμεηδίνπ δηξθνλίνπ θαη µηα µηθξή πνζφηεηα πηηξίνπ, αληί γηα ειεθηξνιχηε πγξήο µνξθήο, επηηξέπνληαο έηζη ζεξµνθξαζίεο µέρξη θαη 1000 ν C. Οη ειεθηξνρεµηθέο αληηδξάζεηο πνπ ραξαθηεξίδνπλ απηφλ ηνλ ηχπν θπςέιεο είλαη ηελ άλνδν 2H 2 + 2O 2-2H 2 O + 4e - ηελ θάζνδν O 2 + 1e - 2O 2- Οιηθή αληίδξαζε 2H 2 + O 2 2H 2 O Κπςειίδα Καπζίµνπ Σεγµέλνπ Αλζξαθηθνύ Άιαηνο, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Απηέο νη θπςέιεο (molten carbonate fuel cells, MCFC ) ρξεζηµνπνηνχλ γηα ειεθηξνιχηε ελψζεηο ηνπ άλζξαθα µε ιίζην, λάηξην θαη θάιην ζε πγξή µνξθή εµπνηηζµέλεο ζε θαηάιιειν πιηθφ. Δλψ ραξαθηεξίδνληαη απφ πνιχ πςειά επίπεδα απφδνζεο νη ζεξµνθξαζίεο φπνπ ιεηηνπξγνχλ (πεξίπνπ 650 ν C) δελ πξνζθέξνληαη γηα θαζεµεξηλή ρξήζε. Ωζηφζν απηή ε πςειή ζεξµνθξαζία, ε νπνία απαηηείηαη πξνθεηµέλνπ ν ειεθηξνιχηεο λα γίλεη ηνληηθά αγψγηµνο, επηηξέπεη ηε ρξήζε θηελψλ θαηαιπηψλ αθνχ νη ρεµηθνί δεζµνί θαηαζηξέθνληαη θαη δεµηνπξγνχληαη πνιχ πην εχθνια ζε ηέηνηεο ζεξµνθξαζίεο. Ζ ίδηα φµσο πςειή ζεξµνθξαζία επζχλεηαη γηα ηελ απμεµέλε δηάβξσζε θαη θαηαζηξνθή ησλ µειψλ ηεο θπςέιεο. Ωο θαχζηµν µπνξεί λα ρξεζηµνπνηεζεί πδξνγφλν, µνλνμείδην ηνπ άλζξαθα, θπζηθφ αέξην, πξνπάλην θαη άιια. Ζ ηζρχο ε νπνία ραξαθηεξίδεη απηφλ ηνλ ηχπν θπςέιεο θπµαίλεηαη αλάινγα ηε ρξήζε απφ 10 kw µέρξη θαη 2 MW. Οη ειεθηξνρεµηθέο αληηδξάζεηο πνπ ραξαθηεξίδνπλ απηφλ ηνλ ηχπν θπςέιεο είλαη ηελ άλνδν 2H 2 + 2CO 3 2-2H 2 O + 2CO 2 + 4e - ηε θάζνδν O 2 + 2CO 2 + 4e - 2CO 3 2- Οιηθή αληίδξαζε 2H 2 + O 2 + 2CO 2 2H 2 O + 2CO 2

67 (ην CO2 παξάγεηαη ζηελ άλνδν θαη θαηαλαιψλεηαη ζηελ θάζνδν) ρήµα 5.11: Οη θπξηόηεξνη ηύπνη θπςειίδσλ θαπζίµνπ θαη νη αληηδξάζεηο πνπ ιαµβάλνπλ µέξνο θαηά ηελ ιεηηνπξγία ηνπο 5.5 Αλαιπηηθή Πεξηγξαθή Σεο PEM Κπςέιεο Μεµβξάλε Κπςέιεο Μεηαμχ ησλ δχν ειεθηξνδίσλ ηεο θπςέιεο θαπζίµνπ βξίζθεηαη ν ειεθηξνιχηεο. Ο ειεθηξνιχηεο νλνµάδεηαη έηζη ιφγσ ηεο ηδηφηεηαο ηνπ λα δηίζηαηαη ζε ζεηηθά θαη αξλεηηθά ηφληα. ηελ πεξίπησζε µίαο PEM θπςέιεο ν ειεθηξνιχηεο είλαη πιαζηηθφ νξγαληθφ

68 πνιπµεξέο θαη ζπλεζέζηεξα νλνµάδεηαη µεµβξάλε ( membrane ). Μία ηππηθή ηέηνηα µεµβξάλε, φπσο ην Nafion ( polyperfluorosulfonic acid ), απνηειείηαη απφ ηξεηο νµάδεο αηφµσλ. Μηαο νκάδαο παξφκνηαο δνκήο κε απηήλ ηνπ Teflon ( πνιπηεηξαθζνξναηζπιέλην ),κε εθαηνληάδεο επαλαιακβαλφκελεο κνλάδεο ηχπνπ CF 2 -CF-CF 2 -.Μηαο δεχηεξεο ηχπνπ -O-CF 2 -CF-O-CF 2 -CF 2 - ζην πφιν πιατλήο αιπζίδαο ε νπνία ελψλεη ηηο πξνεγνχκελεο κνλάδεο, κε κηα ηξίηε, κε ηχπν SO - 3 H + ρήµα 5.12 Γηαζηαζηνιόγεζε ειεθηξνιύηε θπςέιεο Tα αξλεηηθά ηφληα ηνπ SO - 3 είλαη κφληκα ελσκέλα ζηηο πιατλέο αιπζίδεο. Χζηφζν φηαλ ε κεκβξάλε βξεζεί ζε έλπδξν πεξηβάιινλ απνξξνθψληαο λεξφ, ηα ηφληα πδξνγφλνπ απνθηνχλ ηελ ηθαλφηεηα λα θηλεζνχλ ειεχζεξα. Ζ θίλεζε απηή γίλεηαη, θαζψο πξνζθνιιψληαη ζηα πνιηθά κφξηα ηνπ λεξνχ, φπσο πεξηγξάθεηαη απφ ηνλ ηχπν Ζ(Ζ 2 Ο) + Π, θαη κεηαπεδνχλ κεηαμχ ησλ SO - 3 ηφλησλ κέζα ζηε κεκβξάλε. Απφ ηελ άιιε µεξηά ηίζεηαη έλαο πεξηνξηζµφο σο πξνο ηε µέγηζηε ζεξµνθξαζία ιεηηνπξγίαο ησλ PEM θπςέισλ θαπζίµνπ, αθνχ ην λεξφ ζα πξέπεη λα παξαµέλεη ζε πγξή θαηάζηαζε. ε ζπλζήθεο ιεηηνπξγίαο νη νπνίεο ραξαθηεξίδνληαη απφ απμεµέλεο πηέζεηο,ην φξην ησλ 100 o C αίξεηαη αιιά ηαπηφρξνλα µεηψλεηαη θαη ν ρξφλνο δσήο ηεο θπςέιεο. Γηα απηφ ην ιφγν έξεπλα γίλεηαη ζήµεξα πξνο αλαδήηεζε ζπλ ηνηο άιινηο θαη γηα µεµβξάλεο φπνπ µπνξνχλ λα ιεηηνπξγήζνπλ ζε πςειφηεξεο ησλ 100 o C ζεξµνθξαζίεο. Σν

69 πάρνο απηήο ηεο µεµβξάλεο θπµαίλεηαη µεηαμχ ησλ 25 θαη 175 mm. πγθξηλφµελν δειαδή, µε έλα θχιιν ραξηί, είλαη 2 µε 7 θνξέο πην παρχ. Γηα ηε ιεηηνπξγία ηεο θπςέιεο απαηηείηαη φπσο είδαµε παξαπάλσ, ε µεµβξάλε λα είλαη έλπδξε. Ζ ηδηαηηεξφηεηα ησλ PEM µεµβξαλψλ σο ειεθηξνιχηεο είλαη φηη παξνπζία λεξνχ, ηα αξλεηηθά ηφληα παξαµέλνπλ ζηαζεξά ζηε ζέζε ηνπο ελψ µπνξνχλ λα θηλεζνχλ µφλν ηα ζεηηθά. Ζ θίλεζε απηή πξέπεη λα γίλεηαη πξνο µία θαηεχζπλζε µφλν. Δπίζεο ε µεµβξάλε εθ θαηαζθεπήο εµπνδίδεη ην αέξην πδξνγφλν λα αλαµεηρζεί µε ην αέξην νμπγφλν δηφηη ζε αληίζεηε πεξίπησζε δελ ζα ήηαλ δπλαηή ε ιεηηνπξγία ηεο θπςέιεο Ζιεθηξόδηα Κπςέιεο Σα ειεθηξφδηα ηεο θπςέιεο απνηεινχλ πνιχπινθεο λαλνδνµέο θαη πεξηέρνπλ θαηαιχηε, πφξνπο θαη ειεθηξηθά αγψγηµα πιηθά. ιεο νη ειεθηξνρεµηθέο αληηδξάζεηο πνπ ιαµβάλνπλ ρψξα ζε µία θπςέιε θαπζίµνπ απνηεινχληαη απφ δχν επηµέξνπο εµηαληηδξάζεηο. Σελ νμείδσζε ( oxidation ) ηνπ πδξνγφλνπ ε νπνία πξαγµαηνπνηείηαη ζηελ άλνδν θαη ηελ αλαγσγή ( reduction ) ηνπ νμπγφλνπ ζηελ θάζνδν. Με ηελ νμείδσζε ηνπ πδξνγφλνπ παξάγνληαη ηφληα πδξνγφλνπ (πξσηφληα), ηα νπνία µεηαθέξνληαη µέζσ ηεο ηνληηθά αγψγηµεο µεµβξάλεο ζηελ θάζνδν θαη ειεθηξφληα ηα νπνία δηνρεηεχνληαη ζην εμσηεξηθφ θχθισµα θαζψο ε δηέιεπζε ηνπο µέζα απφ ηε µεµβξάλε δελ είλαη δπλαηή. Ζ αλαγσγή ηνπ νμπγφλνπ γίλεηαη θαζψο ην νμπγφλν ην νπνίν παξέρεηαη απφ ηνλ αέξα έξρεηαη ζε επαθή µε ηα ηφληα πδξνγφλνπ θαη παξάγεηαη λεξφ θαη ζεξµφηεηα. Αληίζεηα µε ηε δηαδηθαζία ηεο νμείδσζεο, ζηε δηαδηθαζία ηεο αλαγσγήο δελ έρεη αθφµα θαηαλνεζεί ν µεραληζµφο ηεο αληίδξαζεο πιήξσο. Δδψ ζα πξέπεη λα ζεµεησζεί φηη ε ηαρχηεηα ηεο θαζνδηθήο αληίδξαζεο είλαη 100 θνξέο µηθξφηεξε απφ απηή ηεο αλφδνπ θαη απηφ δεµηνπξγεί έλα ζεµαληηθφ φξην ζηελ απφδνζε ηεο θπςέιεο. Ζ ραµειή ηαρχηεηα αλαγσγήο ηνπ νμπγφλνπ νθείιεηαη ζε 3 παξάγνληεο: ηε µεγάιε ηζρχ ηνπ δεζµνχ ηνπ µνξηαθνχ νμπγφλνπ θαη ζηελ απμεµέλε ζηαζεξφηεηα ηνπ δεζµνχ Pt - O ή Pt - OH. ην φηη είλαη αληίδξαζε µεηαθνξάο 4 ειεθηξνλίσλ ηελ δεµηνπξγία παξαπξντφλησλ φπσο ην H 2 O 2 (OH-OH)

70 ρήµα5.13ζιεθηξόδηα θπςέιεο PEM Καηαιύηεο Κπςέιεο Οη δχν εµηαληηδξάζεηο, ε νμείδσζε δειαδή ηνπ πδξνγφλνπ θαη ε αλαγσγή ηνπ νμπγφλνπ, ραξαθηεξίδνληαη απφ ραµειέο ηαρχηεηεο ζηηο ραµειέο ζεξµνθξαζίεο, φπνπ ιεηηνπξγεί µηα PEM θπςέιε θαπζίµνπ θαη απηφ είλαη πνπ θάλεη απαξαίηεηε ηελ παξνπζία θαηαιχηε. Ο θαηαιχηεο φπνπ έρεη µειεηεζεί πεξηζζφηεξν µέρξη ζηηγµήο θαη γηα ηηο δχν απηέο αληηδξάζεηο είλαη ν ιεπθφρξπζνο, έλα αξθεηά αθξηβφ πιηθφ. ηελ άλνδν ν θαηαιχηεο δξα ζε δχν ζηάδηα, µέζσ µίαο δηαζπαζηηθήο ρεµεηνξξφθεζεο θαη µίαο αληίδξαζεο µεηαθνξάο ειεθηξνλίσλ, σο εμήο: Σν ξπζµνξπζµηζηηθφ ζηάδην ηηο νιηθήο αληίδξαζεο απνηειεί ε ρεµεηνξξφθεζε. ηελ θάζνδν, αλ θαη ν µεραληζµφο αληίδξαζεο δε µπνξεί αθφµα λα πεξηγξαθεί πιήξσο, έλα µνληέιν είλαη ην εμήο: O 2 + H + + Pt + e - Pt HO 2 Pt HO 2 + e - Pt O + H 2 O

71 Pt O + H + + e - Pt OH Pt OH + H + + e - Pt + H 2 O ηαρείξηζε Νεξνύ Ζ δηαρείξηζε λεξνχ (water management) είλαη µία έλλνηα θιεηδί φζσλ αθνξά ηελ απνηειεζµαηηθή ιεηηνπξγία µίαο PEM θπςέιεο. Παξφιν πνπ ην λεξφ απνηειεί πξντφλ ηεο αληίδξαζεο ηεο θπςέιεο θαη µεηαθέξεηαη εθηφο απηήο, ηφζν ην θαχζηµν (πδξνγφλν) φζν θαη ν αέξαο (µε ην νμπγφλν πνπ απηφο πεξηέρεη) πξέπεη λα πεξηέρνπλ επαξθή πνζφηεηα πγξαζίαο έηζη ψζηε ε µεµβξάλε λα δηαηεξείηαη έλπδξε. Ωζηφζν πξνζνρή πξέπεη λα δνζεί ζην πνζφ ηνπ λεξνχ απηνχ αθνχ ιηγφηεξε απφ ηε ηδαληθή πνζφηεηα επεξεάδεη αξλεηηθά ηελ ηνληηθή αγσγηµφηεηα ηεο µεµβξάλεο, µε απνηέιεζµα ηε µείσζε ηνπ απνδηδφµελνπ ξεχµαηνο. Αλ ν ξπζµφο µε ηνλ νπνίν ν αέξαο εηζέξρεηαη ζηελ θπςέιε είλαη αξγφο, ηφηε ην λεξφ ην νπνίν παξάγεηαη δελ απνµαθξχλεηαη αξθεηά γξήγνξα θαη απηφ έρεη σο ζπλέπεηα ην "πιεµµχξηζµα" ηεο θαζφδνπ, απνηξέπνληαο µε ηε ζεηξά ηνπ ην νμπγφλν λα εηζέιζεη ζηα θαηαιπηηθά θέληξα ηεο θαζφδνπ. 5.6 Απόδνζε Κπςέισλ Καπζίµνπ Θεσξεηηθή Πξνζέγγηζε Μπνξνχµε λα ζπγθξίλνπµε ηελ απφδνζε µηαο θπςέιε θαπζίµνπ θαη µηαο µεραλήο εζσηεξηθήο θαχζεσο ζε ζεσξεηηθφ επίπεδν. πσο ην ζεψξεµα ηνπ Carnot ηεο ζεξµνδπλαµηθήο µαο ππνδεηθλχεη, ππάξρεη θάπνην µέγηζην φξην ζηελ απφδνζε µηαο ζεξµηθήο µεραλήο, δειαδή δελ είλαη δπλαηή ε νιηθή µεηαηξνπή ηεο ζεξµφηεηαο ζε µεραληθφ έξγν αιιά µέξνο απηήο εθιχεηαη ζην πεξηβάιινλ. ε µία µεραλή εζσηεξηθήο θαχζεο, ε µεραλή δέρεηαη ζεξµφηεηα απφ θάπνηα δεμαµελή ζεξµφηεηαο ζε πςειή ζεξµνθξαζία Σ1 θαη µεηά ηε µεηαηξνπή ελφο µέξνπο ηεο ελέξγεηαο ζε µεραληθφ έξγν, δηνρεηεχεη ην ππφινηπν ηεο ελέξγεηαο ζην πεξηβάιινλ ζεξµνθξαζίαο Σ2 (ραµειφηεξεο ηεο Σ1). Ζ µέγηζηε ζεσξεηηθή απφδνζε δίλεηαη απφ ηνλ ηχπν. n = T1 T2 / T1

72 θαη είλαη ηφζν µεγαιχηεξε, φπσο θαίλεηαη, φζν µεγαιχηεξε είλαη ε δηαθνξά απηψλ ησλ ζεξµνθξαζηψλ. Ωζηφζν ζε µία θπςέιε θαπζίµνπ δελ εµπιέθεηαη θαµία µεηαηξνπή ζεξµφηεηαο ζε µεραληθή έξγν νπφηε θαη ην φξην ηεο µέγηζηεο απφδνζεο δελ πεξηνξίδεηαη, φπσο ζηελ πξνεγνχµελε πεξίπησζε, µηαο θη έηζη είλαη δπλαηή ε ιεηηνπξγία ηνπο αθφµα θαη ζηηο ραµειέο ζεξµνθξαζίεο ησλ 80 Ο C Πξαθηηθή Πξνζέγγηζε ε µία πην πξαθηηθή πξνζέγγηζε, μεθηλάµε εμεηάδνληαο έλα ειεθηξηθά θηλνχµελν φρεµα βαζηζµέλν ζηε ηερλνινγία ησλ θπςέισλ θαπζίµνπ. Με ηξνθνδφηεζε ηεο θπςέιεο µε θαζαξφ πδξνγφλν ε απφδνζε ηνπ µπνξεί λα θηάζεη ην 80%. µσο θαηά ηε µεηαηξνπή ηεο ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ε νπνία παξάγεηαη απφ απηφ ζε µεραληθή (θηλεηηθή ελέξγεηα θηλεηήξα) ε νιηθή απφδνζε µεηψλεηαη. Αλ επίζεο δερηνχµε ην γεγνλφο φηη δελ ππάξρεη αθφµα θάπνηνο πξαθηηθά εθµεηαιιεχζηµνο ηξφπνο απνζήθεπζεο θαζαξνχ πδξνγφλνπ επί ηνπ νρήµαηνο γηα ηελ άµεζε ρξήζε ηνπ ζηελ θπςέιε αιιά απαηηείηαη ε ρξήζε ελφο αλαµνξθσηή ( reformer ) γηα ηε µεηαηξνπή ζπµβαηηθψλ θαπζίµσλ ζε πδξνγφλν, ε απφδνζε ειαηηψλεηαη αθφµα πεξηζζφηεξν. Καηαιήγνπµε µεηά ηα παξαπάλσ ζε µηα απφδνζε ηνπ 25% µε 35%. πγθξίλνληαο ην παξαπάλσ φρεµα µε έλα ην νπνίν ζηεξίδεηαη ζηε ζπµβαηηθή βελδίλε. Λφγσ έθιπζεο µεγάινπ πνζνχ ζεξµφηεηαο θαηά ηελ θαχζε ηνπ θαπζίµνπ θαη ζε ζπλδπαζµφ µε ην γεγνλφο φηη αξθεηφ µέξνο ηεο παξαγφµελεο ελέξγεηαο θαηαλαιψλεηαη απφ ηηο δηάθνξεο αληιίεο ή αλεµηζηήξεο ηεο µεραλήο ε απφδνζε ελφο ηέηνηνπ νρήµαηνο είλαη αξθεηά ραµειή, πεξίπνπ 20%. Θεσξνχµε ηψξα φρεµα θηλνχµελν µε ειεθηξηθή ελέξγεηα µε ηε ρξήζε µπαηαξίαο. Ζ απφδνζε µηαο µπαηαξίαο είλαη αξθεηά πςειή, πεξίπνπ 90%, µηαο θαη νη πεξηζζφηεξεο εθπέµπνπλ έλα µηθξφ πνζνζηφ ζεξµφηεηαο. Καηά ηε µεηαηξνπή ηεο ελέξγεηαο απηήο ζε θηλεηηθή ηνπ θηλεηήξα θαηαιήγνπµε ζε µηα απφδνζε 70%. Ωζηφζν πξέπεη λα ιάβνπµε ππφςε µαο ηε δηαδηθαζία πίζσ απφ ηελ νπνία θξχβεηαη ε θφξηηζε ηεο µπαηαξίαο φπνπ ρξεζηµνπνηνχµε. Αλ ε µέζνδνο θφξηηζεο ηεο δε βαζίδεηαη ζε θάπνηα απφ ηηο αλαλεψζηµεο

73 πεγέο ελέξγεηαο, φπσο ε ειηαθή ή ε αηνιηθή ε παξαπάλσ απφδνζε µεηψλεηαη ζην 40%. Δμάιινπ γηα ηε θφξηηζε ηεο µπαηαξίαο απαηηείηαη µεηαηξνπή ηνπ ελαιιαζζφµελνπ ξεχµαηνο πνπ παξάγεηαη απφ ηελ πεξηζηξνθή ηνπ θηλεηήξα ζε ζπλερέο, δηαδηθαζία απφδνζεο 90%. Σειηθά θηάλνπµε ζε νιηθή απφδνζε πεξίπνπ 25% Αλ θαη ηα πνζνζηά βξίζθνληαη θνληά ην έλα ζην άιιν, θαη άιινη παξάγνληεο πξέπεη λα ιεθζνχλ ππφςε φπσο, ε ηαρχηεηα αλεθνδηαζµνχ ηνπ νρήµαηνο, ε πεξίνδνο ε νπνία µεζνιαβεί µεηαμχ δχν αλεθνδηαζµψλ, ε µφιπλζε φπνπ πξνθαιείηαη θ.α. 5.7 Αλαµνξθσηέο Ρόινο Αλαµνξθσηώλ Οη θπςέιεο θαπζίµνπ βαζίδνληαη ζην πδξνγφλν. Ωζηφζν νπνηνδήπνηε πιηθφ ην νπνίν πεξηέρεη πδξνγφλν µπνξεί λα ρξεζηµνπνηεζεί σο θαχζηµν, φπσο ε µεζαλφιε, ε αηζαλφιε, ην θπζηθφ αέξην, παξάγσγα ηνπ πεηξειαίνπ, πγξφ πξνπάλην θηι. Μέζσ ηεο δηαδηθαζίαο ηεο αλαµφξθσζεο ( reforming ) επηηπγράλεηαη ε παξαγσγή πδξνγφλνπ απφ ηα πιηθά απηά θαη θαηά απηφ ηνλ ηξφπν γίλεηαη εθηθηή ε ρξήζε ηνπ ζε εθαξµνγέο φπσο ε θίλεζε ελφο νρήµαηνο ρσξίο λα είλαη απαξαίηεηε απνζήθεπζε απηνχ θαζ' απηνχ. Οη αλαµνξθσηέο θαίλεηαη λα είλαη αλαγθαίνη αθνχ πξνο ην παξφλ δελ ππάξρεη νξγαλσµέλε ππνδνµή γηα ηελ παξάδνζε πδξνγφλνπ ελψ δελ ππάξρνπλ επίζεο θαη απνηειεζµαηηθνί ηξφπνη γηα ηελ απνζήθεπζε ηνπ, ψζηε λα επηηεπρζεί ε άµεζε ρξήζε ηνπ. Ζ αλαµφξθσζε µπνξεί λα ιάβεη ρψξα ζε µεγάιε, µεζαία ή µηθξή θιίµαθα. Παξάδεηγµα ηεο πξψηεο είλαη ε παξαγσγή ηνπ πδξνγφλνπ ζε πγξή µνξθή χζηεξα απφ επεμεξγαζία ησλ θαπζίµσλ ζε µεγάια εξγνζηάζηα παξαγσγήο. Παξάδεηγµα ηεο δεχηεξεο απνηεινχλ νη ήδε ππάξρνληεο ζηαζµνί αλεθνδηαζµνχ. Σέινο αλαµφξθσζε µπνξεί λα γίλεη ηνπηθά µε ηελ άµεζε ηξνθνδφηεζε µηαο θπςέιεο θαπζίµνπ απφ ηνλ αλαµνξθσηή φπσο γηα παξάδεηγµα ζε έλα φρεµα ην νπνίν ηξνθνδνηείηαη αξρηθά µε ζπµβαηηθή βελδίλε ηελ νπνία µεηαηξέπεη ζε πδξνγφλν πξνο ρξήζε ζηελ θπςειίδα θαπζίµνπ. Τπάξρνπλ δηάθνξνη µέζνδνη αλαµφξθσζεο ηηο νπνίεο ζα δνχµε παξαθάησ.

74 5.7.2 Δλδόζεξµε Αλαµόξθσζε Αηµνύ Μία µέζνδνο αλαµφξθσζεο είλαη ε ιεγφµελε ελδφζεξµε αλαµφξθσζε αηµνχ ( endothermic steam reforming ) ε νπνία ζπλδπάδεη ηα θαχζηµα απηά µε αηµφ εμαηµίδνληαο ηα ζε πςειέο ζεξµνθξαζίεο (ηεο ηάμεσο ησλ 760 o C). Σν πδξνγφλν ηφηε απνµαθξχλεηαη µε ηε βνήζεηα εηδηθψλ µεµβξαλψλ. Αλαθεξζήθαµε ήδε ζε απηή εµµέζσο µηιψληαο γηα επεμεξγαζία θπζηθνχ αεξίνπ θαηά ηελ παξνπζίαζε µεζφδσλ παξαγσγήο πδξνγφλνπ. Καηά απηήλ νη παξαθάησ αληηδξάζεηο ιαµβάλνπλ ρψξα: CH 4 +2H 2 O CO 2 +4H CH 4 + H 2 O CO +3H 2 ηελ πεξίπησζε θπςέισλ νη νπνίεο ιεηηνπξγνχλ ζε πςειέο ζεξµνθξαζίεο φπσο νη MCFC θαη SOFC, ηηο νπνίεο είδαµε παξαπάλσ, ην CO ην νπνίν ήδε πεξηέρεηαη ζην θαχζηµν ή παξάγεηαη µπνξεί λα ρξεζηµνπνηεζεί άµεζα σο θαχζηµν αλ θαη είλαη επίζεο δπλαηφ λα µεηαηξαπεί ζε πδξνγφλν µέζσ µηαο δεχηεξεο αληίδξαζεο απνµαθξχλζεσο λεξνχ ( water shift gas reaction, WSG ): CO + H 2 O CO 2 + H 2 CH 3 OH CO + 2H 2 Σν θχξην µεηνλέθηεµα ηεο µεζφδνπ απηήο είλαη φηη πξέπεη λα θαηαλαιψζεη ελέξγεηα. Δπηπιένλ µεηνλέθηεµα είλαη φηη ην CO δξα ζαλ δειεηήξην ζηνπο θαηαιχηεο ησλ θπςέισλ ραµειήο ζεξµνθξαζίαο αθφµα θαη αλ απηφ µεηαηξαπεί επίζεο ζε πδξνγφλν αθνχ ε ηειεπηαία αληίδξαζε είλαη αµθίδξνµε, αθήλνληαο 0,5 µε 1% ππφιεηµµα CO.Ζ ίδηα µέζνδνο µπνξεί λα ρξεζηµνπνηεζεί γηα ηε µεηαηξνπή αιθννιψλ φπσο ε εζαλφιε. Απηή ε µεηαηξνπή µπνξεί λα γίλεη µε δχν δξφµνπο φπσο πεξηγξάθνπλ νη παξαθάησ αληηδξάζεηο: CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 3H 2 CH 3 OH CO + 2H 2

75 Ζ αλαµφξθσζε ηεο µεζαλφιεο έρεη ην πιενλέθηεµα φηη απαηηεί ραµειφηεξεο ζεξµνθξαζίεο, ηεο ηάμεσο ησλ 300 o C Δμώζεξµε Μεξηθή Ομείδσζε Ζ µεξηθή νμείδσζε ( partial oxidation ) ρξεζηµνπνηείηαη γηα ηε µεηαηξνπή ηνπ µεζαλίνπ θαη ησλ πςειψλ πδξνγνλαλζξάθσλ αιιά ζπάληα γηα αιθνφιεο. Ζ αληίδξαζε ηέηνησλ ελψζεσλ µε νμπγφλν µαο δίλεη πξντφλ πδξνγφλν φπσο θαίλεηαη θαη ζηελ αληίδξαζε: Ή ζηε γεληθφηεξε CH 4 + 1/2O 2 CO + 2H 2 C n H m + (n/2)o 2 nco + (m/2)h 2 Ζ απφδνζε ηεο είλαη µηθξφηεξε απφ ηελ ελδφζεξµε αλαµφξθσζε αηµνχ γηα ην ίδην πνζφ θαπζίµνπ αιιά ην ζεµαληηθφ πιενλέθηεµα είλαη ην φηη πξφθεηηαη γηα εμψζεξµε αληίδξαζε θη επνµέλσο απαηηεί µηθξή πνζφηεηα ζεξµφηεηαο γηα λα αξρίζεη ε αληίδξαζε. Ωο πξντφλ µπνξεί εθηφο απφ CO λα παξαρζεί θαη CO2 ηα νπνία ζπµβάιινπλ ζηε µφιπλζε ηνπ πεξηβάιινληνο. Απφ ηελ άιιε µεξηά, νη ξχπνη απφ νμείδηα ηνπ αδψηνπ θαη ζείνπ πνπ παξάγνληαη ζήµεξα είλαη αξθεηά πην επηβιαβήο ελψ νη θπςέιεο θαπζίµνπ ηνπο µεδελίδνπλ. Ζ κεξηθή νμείδσζε είλαη ε κέζνδνο ε νπνία ρξεζηκνπνηείηαη φηαλ ππάξρεη αθζνλία πεηξειαίνπ Απηνζεξµηθή Αλαµόξθσζε πλδπάδνληαο ηελ ελδφζεξµε αλαµφξθσζε αηµνχ µε ηελ εμψζεξµε αληίδξαζε µεξηθήο νμείδσζεο θαηαθέξλνπµε λα εθµεηαιιεπηνχµε ην πνζφ ζεξµφηεηαο πνπ παξάγεηαη απφ ηε δεχηεξε µε ηέηνην ηξφπν ψζηε λα ηξνθνδνηεζεί ε πξψηε. Ζ ζπγθεθξηµέλε µέζνδνο ( autothermal reforming ) έρεη πςειή απφδνζε θαη ραξαθηεξίδεηαη απφ γξήγνξε εθθίλεζε. Πεξηγξάθεηαη απφ ηηο γεληθέο αληηδξάζεηο : θαη C n H m + (n/2)o 2 Nco + (m/2)h 2 C n H m + nh 2 O Nco + (n+m/2)h 2

76 5.7.5 Απνµάθξπλζε Μνλνμεηδίνπ Σνπ Άλζξαθα ε ραµειέο ζεξµνθξαζίεο, φπσο ζηηο PEM θπςέιεο θαπζίµσλ, ην µνλνμείδην ηνπ άλζξαθα ην νπνίν παξάγεηαη φπσο είδαµε παξαπάλσ πξέπεη λα απνµαθξπλζεί πξνηνχ δηνρεηεπηεί ην πδξνγφλν ζηελ θπςέιε θαπζίµνπ. Έλαο ηξφπνο γηα λα γίλεη απηφ είλαη λα αθαηξεζεί ην µνλνμείδην ηνπ άλζξαθα µε ηε βνήζεηα µίαο µεµβξάλεο παιιαδίνπ ή θξάµαηνο παιιαδίνπ ( Carbon Monoxide Removal ). Απηέο ε µεµβξάλεο επηηξέπνπλ ηε δηέιεπζε µφλν µνξίσλ πδξνγφλνπ θαη φρη άιιεο έλσζεο. Σν µεηνλέθηεµα απηήο ηεο µεζφδνπ είλαη φηη ε µεµβξάλε νθείιεη λα είλαη αξθεηά αλζεθηηθή ζηηο πςειέο πηέζεηο θάησ απφ ηηο νπνίεο δηνρεηεχεηαη ν αηµφο πξνο απηήλ. εχηεξν ηξφπν απνηειεί ε αθαίξεζε ηνπ µνλνμεηδίνπ ην άλζξαθα µε ηε ρξήζε αλάινγσλ θαηαιπηψλ, ην νπνίν νμεηδψλεη ην µνλνμείδην ελψ αθήλεη ην πδξνγφλν αλεπεξέαζην, δηαδηθαζία ε νπνία µπνξεί λα θηάζεη απφδνζε αθφµα θαη 100% ζε ραµειέο ζεξµνθξαζίεο. Απηή ε µέζνδνο µπνξεί λα ρξεζηµνπνηεζεί σο επηπιένλ ζηάδην µεηά ηε πξψηε, ηνλ θαζαξηζµφ δειαδή ηνπ αηµνχ µε ηε βνήζεηα µεµβξάλεο παιιαδίνπ. 5.8 Θεσξεηηθόο Τπνινγηζµόο Μέγηζηεο Σάζεο Καη Ρπζµνύ Παξαγσγήο Θεξµόηεηαο Τπνινγηζµόο Σάζεο Ηδαληθήο Κπςέιεο Καπζίµνπ Γηα ηνλ ππνινγηζµφ ηεο ηάζεο κηαο ηδαληθήο θπςέιεο θαπζίµνπ απαηηείηαη ε γλψζε ησλ ελεξγεηαθψλ δηαθνξψλ µεηαμχ αληηδξψλησλ ( H 2 +1/2O 2 ) θαη πξντφλησλ ( H 2 O ). Απηφ γίλεηαη µε ηε βνήζεηα ηεο µεηαβνιήο ηεο ειεχζεξεο ελέξγεηαο θαηά Gibbs θαηά ηε µεηαηξνπή ησλ αληηδξψλησλ ζε πξντφληα. Γλσξίδνπµε πσο ε ζρέζε µεηαμχ ηεο µέγηζηεο ηάζεο E θαη ηεο ειεχζεξεο ελέξγεηαο θαηά Gibbs G δίλεηαη απφ ηε ζρέζε ΓΔ ΓG/nF πνπ n είλαη ν αξηζκφο ησλ mol ησλ ειεθηξνλίσλ, φπνπ παίξλνπλ κέξνο ζηελ αληίδξαζε αλά mol H2 θαη F ε ζηαζεξά ηνπ Faraday ίζε κε joules/volt.

77 Ζ ειεχζεξε ελέξγεηα ππνινγίδεηαη απφ ηνλ ηχπν ΓG = ΓΖ - ΣΓS φπνπ ηα Ζ θαη S είλαη ε µεηαβνιή ηεο ελζαιπίαο θαη ηεο εληξνπίαο αληίζηνηρα. Υξεζηµνπνηψληαο ζεσξεηηθά αξηζµεηηθά δεδνµέλα γηα ζεξµνθξαζία δσµαηίνπ έρνπµε ΓG = J - (298 K)(- 163,2 J/K) = J θαη επνµέλσο γηα ηελ ηάζε Δ έρνπµε ΓΔ = - ( JV/2 x J ) = 1,23 V ε ζεξκνθξαζία 80 C ε νπνία θαη ραξαθηεξίδεη ηε ιεηηνπξγία ηεο θπςέιεο ηα ΓΖ θαη ΓS κεηαβάιινληαη πνιχ ιίγν θη έηζη έρνπκε ηειηθά ΓΔ=1,18 V. Αλ επηπιένλ επαλαιάβνπκε ηνπο ππνινγηζκνχο φρη γηα θαζαξφ νμπγφλν αιιά γηα αέξα, βξίζθνπκε κηα λέα ηηκή γηα ηελ ηάζε ίζε κε 1,16 V Τπνινγηζµόο Ρπζµνύ Παξαγσγήο Θεξµόηεηαο Τπνζέηνπκε ιεηηνπξγία θπςέιεο ζε πίεζε 1 atm, ζεξκνθξαζία 80 C, κε ηάζε εμφδνπ θπςέιεο = 0,7 V θαη παξαγφκελν ξεχκα Η = 60Α. Σφηε έρνπκε Ηζρχο ζεξκφηεηαο = Οιηθή ηζρχο - ηζρχο ξεχκαηνο P Θ = P νι P i = (V ηδαληθφ x I) (V θακπχιεο x I) ελψ αληηθαζηζηψληαο βξίζθνπµε ηειηθά φηη γηα θάζε ιεπηφ ιεηηνπξγίαο ηεο θπςέιεο παξάγεηαη ζεξµφηεηα ίζε µε 1,7KJ πεξίπνπ ηήιε Κπςέισλ Καπζίµνπ Μεµβξάλεο Πνιπµεξνύο Ζιεθηξνιύηε πσο είδαµε ε απφδνζε µηαο θπςέιεο θαπζίµνπ δελ είλαη 100% θη επνµέλσο ε ζεσξεηηθή ηάζε ησλ 1,16 V δε ζπλαληάηαη. Αληίζεηα µηα ζπλεζηζµέλε ηηµή ηάζεο εμφδνπ ηζνχηαη

78 πεξίπνπ µε 0,7 V. Ωζηφζν επεηδή απηή ε ηάζε είλαη µηθξή θαη επνµέλσο αθαηάιιειε γηα ηηο πεξηζζφηεξεο πηζαλέο εθαξµνγέο ηεο, γίλεηαη ρξήζε παξαπάλσ απφ µηαο θπςέιεο ζπλδεφµελεο µεηαμχ ηνπο ζε ζεηξά, δεµηνπξγψληαο απηφ ην νπνίν νλνµάδνπµε ζηήιε θπςέιεο θαπζίµνπ ( fuel cell stack ). Αλάινγα µε ηε ρξήζε φπνπ πξννξίδεηαη ε θπςέιε, ε ζηήιε µπνξεί λα απνηειείηαη απφ µεξηθέο εψο θαη εθαηνληάδεο θπςέιεο. Δηδηθά ζε πεξηπηψζεηο φπνπ απαηηείηαη εθηφο απφ µεγάιε ηάζε θαη µεγάιε ηζρχ ρξεζηµνπνηνχληαη πεξηζζφηεξεο απφ µία ζηήιεο ζε ζεηξά. Πξνθεηµέλνπ λα µεησζεί ν ζπλνιηθφο φγθνο θαη βάξνο ηεο ζηήιεο γίλεηαη ρξήζε αληί δχν πιαθψλ θαζνξηζµνχ ηεο ξνήο ησλ αεξίσλ, µίαο. Απηή ε πιάθα έρεη δχν πεξηνρέο µε θαλάιηα µεηαθνξάο, µηα ζε θάζε µεξηά ηεο ε νπνία αλαιαµβάλεη ηε µεηαθνξά θαη δηαθνξεηηθνχ αεξίνπ (πδξνγφλνπ ή αέξα) θαη νλνµάδεηαη δηπνιηθή πιάθα ( bipolar plate ). ηα άθξα ηεο θπςέιεο βξίζθνληαη δχν απιέο πιάθεο. Ηδηαίηεξε ζεµαζία δίλεηαη ζην αδηαπέξαζην απφ αέξηα ηεο ζηήιεο δηφηη ζε αληίζεηε πεξίπησζε, πδξνγφλν θαη αέξαο ζα ελψλνληαλ άµεζα ρσξίο ηελ παξαγσγή εθµεηαιιεχζηµνπ ξεχµαηνο. Ζ δηπνιηθή πιάθα πξέπεη επίζεο λα είλαη αγψγηµε ψζηε ην ξεχµα λα µπνξεί λα θηλεζεί απφ ηε µία θπςέιε ζηελ επφµελε. 5.9 Δθαξµνγέο Κπςέισλ Καπζίµνπ Oη θπςέιεο θαπζίµνπ ζα µπνξνχζαλ λα γίλνπλ ε ιχζε γηα λα παξέρνπλ ηελ παξαγσγή θαζαξήο ελέξγεηαο ζε φιν ηνλ θφζµν γηα ηηο µειινληηθέο γελεέο. Οη θπςέιεο θαπζίµνπ µπνξνχλ λα ζπζζσξεπηνχλ θαη λα απμήζνπλ ηελ ελεξγεηαθή παξαγσγή αλάινγα µε ηελ απαίηεζε θαη έρνπλ επξχ θάζµα εθαξµνγψλ. ήµεξα νη θπςέιεο θαπζίµνπ έρνπλ πάξα πνιιέο εθαξµνγέο πνπ θπµαίλνληαη απφ ηνπο θνξεηνχο ππνινγηζηέο µέρξη θαη ζηα δηαζηεµηθά νρήµαηα. Τπάξρνπλ ηξεηο θχξηεο θαηεγνξίεο εθαξµνγψλ ησλ θπςέισλ θαπζίµνπ, φπνπ έρνπλ παίμεη πνιχ ζεµαληηθφ ξφιν : µεηαθνξέο, θαηνηθίεο θαη εµπνξηθέο.

79 ρήµα 5.14: Δθαξµνγή θπςειώλ θαπζίµνπ ζε δηαζηεµηθά πξνγξάµµαηα Μεηαθνξά Σα απηνθίλεηα θαη ηα µηθξά θνξηεγά αληηπξνζσπεχνπλ µηα ηεξάζηηα πηζαλή αγνξά γηα ηηο θπςέιεο θαπζίµνπ. Δάλ ηα πεξηζζφηεξα απφ ηα απηνθίλεηα ζηεξηρηνχλ ζηελ ηερλνινγία ησλ θπςέισλ θαπζίµνπ ηφηε ζα µπνξέζνπµε λα απνδεζµεπηνχµε απφ ηα νξπθηά θαχζηµα. Βεβαίσο ππάξρνπλ θαη πεξηβαιινληηθά νθέιε δεδνµέλνπ φηη δελ ππάξρνπλ επηβιαβείο αηµνζθαηξηθέο εθπνµπέο. Δηαηξίεο ζηελ Γεξµαλία θαη ζηελ Ηαπσλία εμεηάδνπλ ήδε πιήξσο εμνπιηζµέλα απηνθίλεηα. Σα πεξηζζφηεξα πξσηφηππα απηνθίλεηα εμνπιίδνληαη µε θπςέιεο θαπζίµνπ ηχπνπ PEM. Σν θχξην εµπφδην ζηα πεξηζζφηεξα PEM ηξνθνδνηνχµελα απηνθίλεηα είλαη νηθνλνµηθνί παξάγνληεο θαζψο επίζεο θαη ε αλάγθε ηεο ελ πισ απνζήθεπζεο πδξνγφλνπ. Σν Ζλσµέλν πµβνχιην Αµεξηθήο γηα ηελ Απηνθίλεηε Έξεπλα (USCAR) ζπλεξγάδεηαη µε απηνθηλεηνβηνµεραλίεο φπσο ηελ FORD θαη ηελ GENERAL MOTORS γηα λα παξάγεη έλαλ ελ πισ αλαµνξθσηή πνπ λα µπνξεί λα επεμεξγαζηεί ηα νξγαληθά θαχζηµα φπσο ηελ βελδίλε θαη ηελ µεζαλφιε θαη λα παξέρεη ην πδξνγφλν απφ µηα πην εχρξεζηε πγξή πεγή. Απηήλ ηελ πεξίνδν νη θπςέιεο θαπζίµνπ εμαθνινπζνχλ λα είλαη βαξηέο γηα λα ρξεζηµνπνηεζνχλ ζηελ απηνθηλεηνβηνµεραλία. Έρνπλ βξεη φµσο εθαξµνγέο ζηα µέζα µαδηθήο µεηαθνξάο θαη θπξίσο ζηα ιεσθνξεία πφιεσλ, ηα νπνία είλαη θηιηθά πξνο ην πεξηβάιινλ. Ωζηφζν νη εξεπλεηέο είλαη αηζηφδνμνη θαη πηζηεχνπλ φηη νη θπςέιεο θαπζίµνπ ζα εμειηρζνχλ ηφζν ψζηε λα είλαη εμίζνπ απνδνηηθέο µε ηηο µεραλέο εζσηεξηθήο θάπζεο.

80 ρήµα 5.15 Τξνθνδνηνύµελν ιεσθνξείν µε PEM θπςέιε θαπζίµνπ ρήµα 5.16: Τξνθνδνηνύµελν απηνθίλεην (Mercedes A-class) µε PEM θπςέιε θαπζίµνπ Οηθηζηηθή Καη Πξνζσπηθή Υξήζε Οη θπςέιεο θαπζίµνπ αηνµηθήο θαη νηθηαθήο ρξήζεο κπνξνχλ λα ρξεζηµνπνηεζνχλ ζηνπο θνξεηνχο ππνινγηζηέο, ζηα θηλεηά ηειέθσλα θαη ζηα θνξεηά CD Player, αληηθαζηζηψληαο πιήξσο ηηο µπαηαξίεο μεξνχ ηχπνπ. Δπηπιένλ µπνξνχλ λα ρξεζηµνπνηεζνχλ ζαλ µηα θαζαξή θαη ήζπρε πεγή ζηα αζηηθά, πξναζηηαθά θαζψο θαη εμνρηθά ζπίηηα. Μπνξεί νη γελλήηξηεο θπςέισλ θαπζίµνπ θαηνηθηψλ λα αληηµεησπίδνπλ δπζθνιία ζε επίπεδν αγνξάο ιφγσ ηεο πςειφηεξεο ηηµήο ηνπο απφ ηηο ζπµβαηηθέο γελλήηξηεο βελδίλεο θαη diesel, εληνχηνηο ιφγσ ηεο ξαγδαίαο αλάπηπμεο ηνπο νη ηηµέο µεηψλνληαη ζπλερψο θαη ηέηνηνπ είδνπο γελλήηξηεο απνηεινχλ ειθπζηηθή ιχζε γηα ηνπο θαηαλαισηέο µε πεξηβαιινληηθή ζπλείδεζε.

81 ρήµα 5.17: Δθαξµνγή θπςέιεο θαπζίµνπ ζε µπαηαξίεο θηλεηνύ ηειεθώλνπ ρήµα 5.18: Δθαξµνγή θπςέιεο θαπζίµνπ ζε µπαηαξίεο θνξεηνύ ππνινγηζηή Βηνµεραλία Οη θπςέιεο θαπζίµνπ δελ είλαη ε βέιηηζηε ιχζε γηα παξαγσγή ειεθηξηθήο ελέξγεηαο ελψ θαίλνληαη λα είλαη έλαο απφ ηνπο πην βηψζηµνπο ηξφπνπο απνζήθεπζεο ελέξγεηαο. Σν θχξην εµπφδην γηα ηελ αλάπηπμε ηέηνησλ ζπζηεµάησλ απηήλ ηελ πεξίνδν είλαη ην πςειφ θφζηνο.. ρήµα 5.19: Αιθαιηθή θπςέιε θαπζίµνπ βηνµεραληθήο θιίµαθαο

82 ρήµα 5.20 PEM θπςέιε θαπζίµνπ βηνµεραληθήο θιίµαθαο ρήµα 5.19 : ηαµόξθσζε ησλ δηαθνξεηηθώλ ηύπσλ θπςειίδσλ θαπζίµνπ αλάινγα µε ηηο εθαξµνγέο ζηηο νπνίεο δξαζηεξηνπνηνύληαη