Ελεύθερο Βήμα. «ΕΝΕΡΓΕΙΑ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ: Τo Κουτί της Πανδώρας και το Υδρογόνο του Μέλλοντός μας» του. Ξενοφώντα Βερύκιου

Transcript

1 FORUM ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ 2007/10 ο ΜΟΝΕΥ SHOW ΠΑΤΡΑΣ Ελεύθερο Βήμα «ΕΝΕΡΓΕΙΑ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ: Τo Κουτί της Πανδώρας και το Υδρογόνο του Μέλλοντός μας» του Ξενοφώντα Βερύκιου Καθηγητή Πανεπιστημίου Πατρών, Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΘΕΣΕΙΣ Η κυριότερη πηγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης είναι η παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας. Η «βιώσιμη ανάπτυξη» συνδέεται άμεσα με την παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας «Η παγκόσμια ζήτηση ενέργειας θα τριπλασιαστεί έως το 2050 και οι απαιτήσεις σε «καθαρότητα» θα είναι τριπλάσιες από τις σημερινές».

2 Προβλήµατα από την χρήση ορυκτών καυσίµων στο ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη: Περιβαλλοντικά προβλήματα Acid Rain ιάβρωση ΝΟ x, SO x, HC, CO, CH 4, CO 2 Ατµοσφαιρική ρύπανση Φαινόµενο του Θερµοκηπίου Μείωση αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων Καίρια ερωτήματα: Είναι η υπερθέρμανση του πλανήτη πραγματική και όντως επικίνδυνη για το περιβάλλον; Για πόσα ακόμα χρόνια θα υπάρχουν αποθέματα ορυκτών καυσίμων, κυρίως πετρελαίου; Είναι η οικονομία του τ υδρογόνου μία βιώσιμη επιλογή για το ενεργειακό μας μέλλον; Είναι σωστά πληροφορημένη η κοινωνία;

3 Μεταβολή των ενεργειακών πηγών του ανθρώπου. Μεταβολή των ενεργειακών πηγών του ανθρώπου. Περιεκτικότητα σε υδρογόνο βασικών ενεργειακών πηγών

4 Ο κύκλος του Άνθρακα Απλοποιηµένος Κύκλος Άνθρακα Ο κύκλος του Άνθρακα Ο κύκλος του άνθρακα με ροές σε Gt(C)/ )/annum (όλοι οι αριθμοί είναι ο μέσος όρος τιμών για την περίοδο ). 1989). αποσύνθεση 60 αναπνοή Ατµόσφαιρα 750 Gt(C) Ορυκτά καύσιµα Βλάστηση/Στερεά/Κατάλοιπα 2190 Gt(C) Ωκεανοί Gt(C) Αναγκαιότητα:

5 Αλλαγές στη μέση θερμοκρασία του πλανήτη κατά τα τελευταία 150 χρόνια. Πηγή: Hadley Centre for Climate Prediction & Research. Η ανθρωπογενής παραγωγή CO 2 ήδη ισούται µε το ένα έκτο του CO 2 που παγιδεύεται ετησίως από την φωτοσύνθεση ανά την υφήλιο.

6 Τι περιέχει το κουτί της Πανδώρας; Για ενάμισι σχεδόν αιώνα, οι άνθρωποι μιας ορισμένης περιοχής του πλανήτη κατανάλωναν ένα αγαθό που δημιουργήθηκε σε μια παλιά γεωλoγική εποχή και σ αυτή την κατανάλωση βάσισαν μια πρωτόγνωρη ευημερία. Σήμερα ανακαλύπτουμε οτι η κατανάλωση αυτού του αγαθού έχει δημιουργήσει και δημιουργεί τεράστια προβλήματα στον πλανήτη, το κόστος των οποίων θα πληρώσουν όλοι οι άνθρωποι, είτε συμμετείχαν είτε όχι στην κατανάλωση του αγαθού. Κυρίως, μάλιστα θα το πληρώσουν αυτοί που δεν συμμετείχαν.

7

8 Γιατί Υδρογόνο ; H2 + ½ O2 H2O + θερμότητα κυψελίδες καυσίμου : νέα τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με μεγάλη απόδοση και μηδενική εκπομπή ρύπων, χρησιμοποιώντας ως καύσιμο το υδρογόνο. Χαρακτηριστικά του Υδρογόνου Το υδρογόνο: Είναι το πιο απλό και πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν (75%) και στη γη (18% κατ άτομο). Δεν συναντάται στην ελεύθερη μοριακή του μορφή, αλλά σε πλήθος ενώσεων, από τις οποίες μπορεί να απελευθερωθεί με: θερμότητα και καταλύτες (αναμόρφωση) από υδρογονάνθρακες και υδατάνθρακες ηλεκτρισμό από το νερό (ηλεκτρόλυση) ηλιακή ακτινοβολία, πλάσμα, μικροοργανισμούς (σε πειραματικό στάδιο). Είναι το πιο ελαφρύ μόριο (8 φορές πιο ελαφρύ από το φυσικό αέριο). Ανά μονάδα περιεχόμενης ενέργειας, είναι 64% πιο ελαφρύ από τη βενζίνη και 61% πιο ελαφρύ από το φυσικό αέριο. Ανά μονάδα όγκου, περιέχει το 30% της ενέργειας του φυσικού αερίου, σε ατμοσφαιρική πίεση. Παράγει μόνο νερό κατά την καύση του. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μηχανές εσωτερικής καύσης και σε κυψελίδες καυσίμου (fuel cells).

9 Δεν είναι πηγή ενέργειας αλλά ενεργειακός φορέας ή μέσο αποθήκευσης ενέργειας (π.χ. αποθήκευση αιολικής, ηλιακής, υδροηλεκτρικής κ.λ.π ενέργειας). Υδρογόνο: Σημερινή Παραγωγή και Κατανάλωση Περίπου 500 δισεκατ. κυβικά μέτρα το χρόνο Παραγωγή: Πηγές: Φυσικό Αέριο 47% Πετρέλαιο 30% Άνθρακας 17% Ηλεκτρόλυση 4% Ανανεώσιμες Πηγές 2% Κατανάλωση: Παραγωγή Αμμωνίας 50% Διεργασίες Διυλιστηρίου 37% Παραγωγή Μεθανόλης 8% Άλλες Χρήσεις 5% Παραγωγή υδρογόνου για ενεργειακή χρήση

10 Από ορυκτά καύσιμα ( φυσικό αέριο) - δέσμευση CO2 Από ανανεώσιμες πηγές - ανανεώσιμο ηλεκτρισμό Κυψελίδες καυσίμου: Βασικές Αρχές

11 Κυψελίδες καυσίμου: Τεχνολογίες Τύπος Κυψελίδας Καυσίμου AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC Ηλεκτρολύτης Υγρός Πολυμερικός Φωσφορικό Τήγμα Οξείδια Αλκαλικός οξύ Ανθρακικών Αλάτων Θερμοκρασία Λειτουργίας, οc Συντελεστής Απόδοσης, % Πυκνότητα Ρεύματος, ~1 ~1 ~ >0.3 Α/cm cm2 Για Vcell= 0.7V CH4 Αδρανές Αδρανές Αδρανές Καύσιμο Καύσιμο CO Δηλητήριο Δηλητήριο Δηλητήριο Παράγει Η2 Παράγει Η2 Πλεονεκτήματα των κυψελίδων καυσίμου δεν παράγονται ατμοσφαιρικοί ρύποι (SOx, NOx, PM) όπως στην καύση ορυκτών καυσίμων δεν παράγεται CO2 όταν χρησιμοποιείται ανανεώσιμο υδρογόνο η απόδοσή τους είναι σχεδόν διπλάσια των θερμικών μηχανών η απόδοσή τους είναι ανεξάρτητη του μεγέθους είναι αθόρυβα επειδή δεν έχουν κινούμενα μέρη είναι πιο αξιόπιστα από άλλα συστήματα

12 Κυψελίδες Καυσίμου Ενδεικτικές εφαρμογές μεγάλου εμπορικού ενδιαφέροντος: Συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας για οικίες εκτός δικτύου ( μόνον στις ΗΠΑ) Παραγωγή ηλ. ενέργειας για εκτός δικτύου συστήματα αναμετάδοσης (τηλεπικοινωνίες,κ.λ.π. - δεκάδες χιλιάδες στην Ευρώπη) Μονάδες παραγωγής ηλ. ρεύματος σε μη συνδεδεμένους, απομακρυσμένους οικισμούς π.χ. νησιά. (σημερινό κόστος ΔΕΗ 1 /kwh) Παραγωγή ηλ. ενέργειας και θερμότητας από βιο-αέριο σε ΧΥΤΑ και βιολογικούς καθαρισμούς Εγκατάσταση κυψελίδων καυσίμου σε νοσοκομεία, σχολεία, ξενοδοχεία κ.λ.π. για συμπαραγωγή ηλ. ρεύματος & θερμότητας Κυψελίδες καυσίμου: Εφαρμογές

13 Παραγωγή Ανανεώσιμου Υδρογόνου Ανανεώσιµη Ενέργεια Αιολική Υδροηλεκτρική Φωτοβολταϊκά Ηλεκτρόλυση Βιοµάζα Ενεργειακές καλλιέργειες Υπολείµµατα δασικών και γεωργικών εκµεταλλεύσεων Οργανικά στερεά απόβλητα Μετατροπή Αεριοποίηση Πυρόλυση Αναερόβια χώνευση + αναµόρφωση ή παραγωγή ηλεκτρισµού Αποθήκευση και ιανοµή Η 2 Συµπιεσµένο αέριο Υγρό Στερεό (µεταλλοϋδρίδια) Καινοτόµες µέθοδοι Θερµοχηµική διάσπαση νερού Φωτοσύνθεση Φωτοκαταλυτική διάσπαση νερού Παραδείγματα Βιομάζας Ενεργειακά φυτά και δέντρα Κατάλοιπα καλλιεργειών και αγροτοβιοµηχανιών Κατάλοιπα δασικών εκµεταλλεύσεων Απόβλητα ζώων Αστικά και βιοµηχανικά απόβλητα Διεργασίες Μετατροπής Βιομάζας

14 Κύρια Προϊόντα Βιοµάζα Καύση Γρήγορη Πυρόλυση ( ο C) Πυρόλυση (1500 ο C) Αεριοποίηση ( ο C) Υδροθερµόλυση ( ο C) Θερµότητα, CO 2, H 2 O Βιο-έλαιο, Αέρια, C Αέρια (C 2, H 2 ), C CO, H 2, CO 2, CH 4 C, Αέρια CO 2 Αναερόβια Χώνευση / Βιοαέριο Ζύµωση Αναερόβια Χώνευση Μονάδα αναερόβιας χώνευσης στο Freiburg, της Γερµανίας. Χρησιµοποιεί 36,000 ton αποβλήτου ανά χρόνο, παράγει 3 million m 3 αερίου και 15,000 ton compost. Αιθανόλη, CO 2 CH 4, CO2 Η µονάδα στο Groningen (The Netherlands) είναι µια από τις µεγαλύτερες MSW µονάδες χώνευσης του κόσµου, µε ετήσια χωρητικότητα 85,000 ton. DRANCO µονάδα αναερόβιας χώνευσης, Salzburg, Austria Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από βιοαέριο (από διεργασίες χώνευσης) στο Minworth, UK.

15 Ζύμωση / Βιοαιθανόλη Μονάδα βιοαιθανόλης στο Illinois, USA (Pekin Energy Company s). Παράγει πάνω από ένα εκατοµµύριο λίτρα βιοαιθανόλης ανά ηµέρα. Μονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης στο Hastings, Nebraska, USA (Chief Ethanol Fuels Inc.). Παράγει 325,000 λίτρα βιοαιθανόλης ανά ηµέρα. Μονάδα βιοαιθανόλης στο Nebraska, USA. Χρησιµοποιεί καλαµπόκι και παράγει 925 litres ανά ηµέρα (Minnesota Corn Producers). Είδος καλλιέργειας Ποσότητα Τιμή Παραγ/ ζάχαρης Αιθανόλ. Καταναλ (tons/ha) ($/m3) Ενέργεια Ζαχαροκάλαμο Ζαχαρότευτλο Πατάτα Σόργος Καλαμπόκι Αλεύρι Σταφύλια 0.7 Cassava Λιγνοκυτταρινούχες ύλες

16 Πλεονεκτήματα Βιοαιθανόλης 100% ανανεώσιμη πηγή ενέργειας Πολύ υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο Μεγάλη διαθεσιμότητα, τοπική παραγωγή Μη τοξική, ασφαλής, δεν μολύνει το περιβάλλον Υγρό καύσιμο, διακινείται και αποθηκεύεται πολύ εύκολα Ελκυστικά οικονομικά στοιχεία με διαρκώς μειούμενο κόστος παραγωγής Μείωση κόστους παραγωγής αιθανόλης: Το παράδειγμα της Βραζιλίας ,9 50 cost in $/barrel cost in cents/l 40 31, , Πηγή: Jose Goldberg in Tagungsband zur Veranstaltung Biotreibstoffe, 22 Juni 1999, Rüschlikon, Switzerland.

17 Καινοτόμος διεργασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και κ θερμότητας από βιομάζα με χρήση κυψελίδων καυσίμου* Κύρια χαρακτηριστικά: μεγάλη απόδοση μηδενική παραγωγή / εκπομπή ρύπων εφαρμογή σε κατανεμημένα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής/ συμπαραγωγής εύκολη μεταφορά καυσίμου *X.E. Verykios, A process for the production of hydrogen and electricity via bio-ethanol reforming, using fuel cells, with zero pollutants emission, International patent PCT / *X.E. Verykios, Process for the production of hydrogen and electricity from reforming of bio-ethanol, U.S. patent Διεργασία Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Από Βιομάζα με Κυψελίδες Καυσίμου Ηλιακή Ενέργεια Φυτοκαλλιέργειες Υπολείµµατα Καλλιεργειών και Αγροτοβιοµηχανιών Αστικά Απόβλητα (οργανικό κλάσµα) CO2 Βιοµάζα CO2 Σακχαροποίηση / Ζύµωση Υδατική απορροή 8-10% Αιθανόλη Απόσταξη Αναµόρφωση Αιθανόλης CO, H 2 Μετατόπιση µε Ατµό CO 2, CO, H 2 Εκλεκτική Οξείδωση CO CO 2, H 2 Κυψελίδα Καυσίµου εδαφοβελτιωτικ ό στερεό υπόλειµµα 40-55% Αιθανόλη Θερµότητα Θερµότητα Θερµότητα Αναερόβια Χώνευση CH 4 CO 2 Αναµόρφωση Βιοαερίου CO H 2 Θερµότητα Ηλεκτρική Ενέργεια Καύση

18 Πράσινη Ενέργεια από Βιομάζα ΠΟΛΗ Στερεά Απόβλητ α Ανακύκλωση ή Ταφή Ανόργανης Υλης Γεωργική Παραγωγή Σόργο Σόργο Σόργο Ενεργειακές Καλλιέργειε Κατάλοιπα Γεωργικής Παραγωγής Εδαφοβελτιωτικό και λίπασµα Ενεργειακά Φυτά Ηλεκτρική Ενέργεια Υδρογόνο Κέντρο Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας Θερµότητα Αιθανόλη Χαρτί Οργανική ύλη Χώρος ιαλογής Απόβλητα Αγροτοβιοµηχανιών Οχήµατα µε Κυψέλες Καυσίµου Νησιά και Αποµακρυσµένες Περιοχές Αγροτικές Βιοµηχανίες (Τρόφιµα) Φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού Η παραγωγή υδρογόνου υ από τη διάσπαση του νερού με χρήση ηλιακής ακτινοβολίας είναι, δυνητικά, μια από τις πλέον υποσχόμενες διεργασίες για τη φωτοχημική μετατροπή και αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας. hv 1 H O H + O G o =237 kj/mol E 0 H2/H2O E 0 O2/H2O E E CB E VB H 2 + 2OH - 2 H 2 O Pt - C V - + hν = E g R u+ dye* dye 2 Η 2 Ο dye +. Ορατή ακτινοβολία Υπεριώδης ακτινοβολία 4Η + + Ο 2

19 Πολιτικοί και Κοινωνικοί Παράγοντες της Οικονομίας του Υδρογόνου Η ανάπτυξη των απαιτούμενων τεχνολογιών και της υποδομής για την ευρεία χρήση του Η2 ως φορέα ενέργειας θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από κυβερνητικές αποφάσεις Εξάρτηση οικονομιών των αναπτυγμένων χωρών από άλλα κράτη (συχνά πολιτικά ασταθή) Συνειδητοποίηση του συνολικού ή πραγματικού κόστους της χρήσης ορυκτών καυσίμων Κλιματολογικές αλλαγές / ενεργοποίηση της κοινής γνώμης Ενεργοποίηση ιδιωτικού τομέα / επενδύσεις / θέσεις εργασίας Ανάπτυξη απαιτούμενης υποδομής (αγωγοί, σταθμοί ανεφοδιασμού κ.λ.) Είναι η κοινωνία σωστά πληροφορημένη? Ενώ τα δημοσιευόμενα επιστημονικά ευρήματα απεικονίζουν ομόφωνα μια εικόνα επερχόμενων σφοδρών κλιματικών αλλαγών, τα μέσα προτιμούν μια εκδοχή κατά την οποία υπάρχει αναβρασμός και διαμάχη στην επιστημονική κοινότητα σχετικά με το αν υπάρχουν ανθρωπογενείς κλιματικές αλλαγές ή όχι. Ένας συνδυασμός πολιτικών, κοινωνικών, τεχνολoγικών αλλαγών καθώς και αλλαγών στον τρόπο ζωής απαιτούνται για να αντιμετωπισθεί η παγκόσμια ενεργειακή κρίση και για να μειώθει η καταστροφή που έχει επέλθει από τον ανθρώπινο παράγοντα στο περιβάλλον, ειδικά κατά τα τελευταία 150 χρόνια L.Rose:Energy-Fossil, alternative fuels and CO2 today

20 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η ενεργειακή οικονομία του πλανήτη βρίσκεται σε φάση σταδιακής μετεξέλιξης για δύο κυρίως λόγους: μείωση αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων, πλανητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις της καύσης ο.κ. Είναι πολύ πιθανόν το υδρογόνο, σε συνδυασμό με κυψελίδες καυσίμου, να αποτελέσει την διάδοχη ενεργειακή κατάσταση. Το υδρογόνο είναι ενεργειακός φορέας με σημαντικά πλεονεκτήματα. Η παραγωγή του απαιτεί πολύπλοκες διεργασίες και ενέργεια. Υδρογόνο παραγόμενο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορεί να συμβάλει στην επίλυση σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων.