ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΕΛΙΟ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΕΛΙΟ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟ"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΒΕΛΙΟ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟ Αριθμός Μητρώου: 5851 Θέμα: ΜΕΛΕΤΗ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα: 1

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΜΕΛΕΤΗ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ» του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΒΕΛΙΟ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟ Α.Μ.: 5851 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 2

3 Ευχαριστίες: Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγησή και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και τους φίλους μου για την στήριξή τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Τίτλος: ΜΕΛΕΤΗ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Φοιτητής: ΒΕΛΙΟ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ 4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια έχει δημιουργηθεί επιτακτική ανάγκη ανάπτυξης νέων μεθόδων για την παραγωγή ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Οι ενεργειακές απαιτήσεις που καλύπτονται από τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία περιέχουν άνθρακα, έχει σαν αποτέλεσμα την αυξανόμενη απελευθέρωση CO 2, γεγονός που ευνοεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την όξινη βροχή. Η εξάρτηση λοιπόν από τις εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας, αφού οι ποσότητες των ορυκτών καυσίμων είναι περιορισμένες, και η ρύπανση του περιβάλλοντος, αποτελούν κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη και εκμετάλλευση νέων εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, κατασκευή και υλοποίηση ενός αυτόνομου υβριδικού συστήματος παραγωγής υδρογόνου, ως μια ανανεώσιμη μορφή ενέργειας (ΑΠΕ), εκμεταλλευόμενο την πλεονάζουσα ενέργεια από ΑΠΕ. Το σύστημα περιλαμβάνει μια ανεμογεννήτρια και μια φωτοβολταϊκή γεννήτρια, οι οποίες αποτελούν τις κύριες ενεργειακές πηγές, ενώ μια υδρογονογεννήτρια (ηλεκτρόλυσης) χρησιμοποιείται για τη πλήρωση με υδρογόνο των φιαλών που περιέχουν μεταλλικά υδρίδια. Το αποθηκευμένο υδρογόνο των φιαλών τροφοδοτεί την κυψέλη καυσίμου τύπου PEM. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από το αποθηκευμένο υδρογόνο καλύπτει τις ανάγκες φορτίου τις ώρες αιχμής. Ως εξομοιωτής φορτίου χρησιμοποιήθηκε ρυθμιζόμενη ωμική αντίσταση ισχύος. Συγκεκριμένα στο 1 κεφάλαιο, «Τεχνολογία ΑΠΕ», γίνεται μία γενική αναφορά γύρω από τη διεσπαρμένη παραγωγή, τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) και το έντονο ενδιαφέρον που έχει παρατηρηθεί τα τελευταία χρόνια παγκοσμίως σε αυτόν τον τομέα. Εξετάζονται οι χρήσεις τους, τα πλεονεκτήματα - μειονεκτήματά τους και η κατάσταση που επικρατεί. Επίσης, παρουσιάζονται οι αρνητικές επιπτώσεις από τη καύση των υδρογονανθράκων, που αποτελούν κύρια πηγή ενέργειας τη σημερινή εποχή. Στο 2 ο κεφάλαιο, «Ενέργεια υδρογόνου», γίνεται αρχικά μια σύντομη αναφορά στις ιδιότητες του υδρογόνου όσο και στις τεχνολογίες για την παραγωγή του, δίνοντας έμφαση στην παρασκευή μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, αφού αυτή η μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί. Στη συνέχεια γίνεται παρουσίαση των τρόπων μεταφοράς-διανομής και σύγκριση του υδρογόνου έναντι άλλων συμβατικών πηγών ενέργειας. Τέλος εξετάζονται οι κίνδυνοι που ενέχει ως καύσιμο και τα πλεονεκτήματα του έναντι των μπαταριών ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Στο 3 ο κεφάλαιο, «Αποθήκευση του υδρογόνου», γίνεται αναφορά σε όλες τις τεχνολογίες αποθήκευσης και δέσμευσης του υδρογόνου, όπως υγροποίηση σε πολύ χαμηλές

5 θερμοκρασίες, αποθήκευση σε δοχεία υπό υψηλή πίεση και με εισχώρηση σε μεταλλικά υδρίδια. Συγκεκριμένα αναλύεται η χρήση προηγμένων υλικών (μεταλλικά υδρίδια) που είναι το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο 4 ο κεφάλαιο, «Κυψέλες καυσίμου», παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου. Ακολουθεί η διάκριση ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που διαθέτουν καθώς και σύγκριση όλων των τύπων. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στην εμπορευματοποίησή τους ανάλογα τον τύπο τους και τέλος παρουσιάζονται οι εφαρμογές τους στη βιομηχανία. Στο 5 ο κεφάλαιο, «Αυτόνομο υβριδικό υπό μελέτη σύστημα», γίνεται μια εισαγωγή στα υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας και στη συνέχεια ακολουθεί μια πιο λεπτομερής περιγραφή στα κύρια στοιχεία του συστήματος (γεννήτρια υδρογόνου, κυψέλη καυσίμου, αντίσταση φορτίου, φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου και εναλλάκτης θερμότητας) που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της εργασίας. Παρακάτω περιγράφεται συνοπτικά η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου υβριδικού συστήματος. Εάν τα φωτοβολταϊκά και η ανεμογεννήτρια παράγουν αρκετή ισχύ, το σύστημα υποστηρίζεται εξολοκλήρου από αυτά. Στην περίπτωση που η ισχύς εξόδου τους ξεπερνάει την επιθυμητή, η πλεονάζουσα ισχύς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή Υδρογόνου, το οποίο μπορεί να αποθηκευτεί και να χρησιμοποιηθεί όταν υπάρξει ανάγκη, στις κυψελίδες καυσίμου. Σε περίπτωση χαμηλού ανέμου και ηλιοφάνειας, ένα μέρος της ισχύος μπορεί να συμπληρωθεί από την ενέργεια που προέρχεται από τις κυψελίδες καυσίμου. Προφανώς, σε τέτοια υβριδικά συστήματα ανεμογεννητριών φωτοβολταϊκών - κυψελίδων καυσίμου, σαν αυτά που μελετώνται στην παρούσα εργασία, οι κυψελίδες καυσίμου λειτουργούν με μεταβλητό ρεύμα. Τέτοιες κυψελίδες καυσίμου, ακόμα δεν διατίθενται στο εμπόριο. Στο τελικό στάδιο της Διπλωματικής εργασίας και συγκεκριμένα στο 6 ο κεφάλαιο, «Επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων», υπάρχουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων με σχηματικές απεικονίσεις και ερμηνεία των διαγραμμάτων που προέκυψαν από τις πειραματικές μετρήσεις, καθώς και τα τελικά συμπεράσματα που προκύπτουν. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων παρατηρήθηκε ότι το μεταλλικό υδρίδιο κατά την πλήρωση του με υδρογόνου αντιδρά εξώθερμα με συνέπεια να έχουμε αύξηση θερμοκρασίας στη φιάλη (μέγιστο 43 ο C). Κατά την απελευθέρωση του υδρογόνου από τη φιάλη υπάρχει ενδόθερμη αντίδραση και ελάττωση της θερμοκρασίας της φιάλης (ελάχιστο ο C). Τα κυριότερα λοιπόν προβλήματα του συστήματος που παρατηρήθηκαν είναι τα παρακάτω: α) μεγάλες αυξομειώσεις θερμοκρασίας είχαν αρνητικές συνέπειες στην απόδοση του συστήματος β) η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας υπερβαίνουν τα όρια θερμοκρασιών ομαλής λειτουργίας. Συνεπώς κρίθηκε απαραίτητο (συστήνεται από τον κατασκευαστή) να κατασκευαστεί ένα σύστημα ψύξης (εναλλάκτης θερμότητας) των φιαλών, ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν πιο σταθερό εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας του συστήματος και να αποφευχθούν τα παραπάνω μειονεκτήματα. Το εύρος θερμοκρασιών που επιτεύχθηκε με το σύστημα ψύξης είναι: ελάχιστο 10.3 ο C - μέγιστο 29 ο C. Επιπλέον διαπιστώθηκε πως με ίδιες αρχικές συνθήκες (φορτίο, πίεση φιάλης, κλπ.) κατά την λειτουργία με τον εναλλάκτη, η κυψέλη καυσίμου παρήγαγε την ίδια ισχύ άλλα για περισσότερη ώρα. Αυτό δεν σημαίνει πως έχουμε μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου στην φιάλη, άλλα σταθεροποιώντας την θερμοκρασία, επιτυγχάνεται μια πιο ομαλή λειτουργία του συστήματος και κυρίως πιο σταθερή παροχή υδρογόνου στην κυψέλη καυσίμου, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η απόδοση 5

6 της. Με αυτό τον τρόπο βελτιώνεται η ταχύτητα απορρόφησης άλλα όχι και η ποσότητα του υδρογόνου που απορροφάται. 6

7 7 Abstract During the last years an urgent need to develop new methods for the production of renewable energy was created. The energy requirements covered by the fossil fuels, which contain carbon, result in the increase of the CO 2 releases in the atmosphere, a fact that favors the greenhouse effect and acid rain. So the dependence on depletable energy sources like fossil fuels that are limited as well as the pollution of the environment, are driving forces for the development and exploitation of new alternative energies. This thesis deals with the design, construction and implementation of an autonomous hybrid system producing hydrogen as a renewable energy source (RES), exploiting the excess energy from RES. The system includes a wind turbine and a photovoltaic generator, which are the main energy sources, while a hydrogen generator (electrolysis) is used to fill the bottles with hydrogen containing metal hydrides. The bottles of stored hydrogen feeds fuel cell type PEM. The electricity generated from the stored hydrogen meets the needs of the load during peak hours. Simulator was used as load power adjustable resistor. Specifically, in chapter 1, "Technology RES" is a general discussion around the dispersed production, renewable energy sources (RES) and the strong interest that has been observed during the recent years worldwide in this field. As well this chapter considers the uses, advantages - and disadvantages of the situation. It also shows the negative impact from the combustion of hydrocarbons, which are the main source of energy today. In chapter 2, "Hydrogen Energy", as a start, a short report on the properties of hydrogen and technologies for its production, and it emphasizes on the production by electrolysis of water, since this method will be used. Then we present a modal distribution of hydrogen compared to other conventional energy sources. Finally we consider the risks of fuel and its advantages over batteries as energy storage is medium. In chapter 3, "Hydrogen Storage" we refer to all storage technologies and hydrogen binding as liquefaction at very low temperatures, storage containers under high pressure and penetration in metal hydrides. It specifically analyzes the use of advanced materials (metal hydrides) which is the subject of this thesis. In chapter 4, "Fuel Cells" the principle for the operation of fuel cells is presented. Here a distinction is made according to the type of electrolyte and features as well as comparison of all types. Then we refer to the commercialization according to their type and finally present their applications in industry. In chapter 5, "Autonomous hybrid system under study" we introduce to hybrid power systems, followed by a more detailed description of the main elements of the system (hydrogen generator, fuel cell, load resistance, hydrogen storage cylinders and heat exchangers) used for the needs of the job. After that, it summarizes the operating principle of such a hybrid system. If the solar panels and wind turbines generate enough power, the system is supported entirely by them. If the output power exceeds the desired, the excess power can be used to produce hydrogen, which can be stored and used when there is need, in fuel cells. In case of low wind and sunshine, a place of power may be supplemented by the energy from the fuel cells. Obviously, in such hybrid systems, solar wind - fuel cells, such as those studied in this paper, fuel cells operate at variable current. Such fuel cells, is not yet commercially available. In the final stage of the thesis and specifically in Chapter 6, "Processing experimental measurements", we present the results of measurements with the maps and interpretation of charts derived from experimental measurements, and the final conclusions drawn. During the experiments it was observed that the metal hydride during the filling with hydrogen reacts exothermically with the result to have an increase in temperature in the flask (43 C maximum). The release of hydrogen from the bottle is an endothermic reaction and it reduces the temperature of the bottle (minimum C). So the main problems of the system observed are:

8 a) The large temperature fluctuations had a negative impact on system performance b) The maximum and minimum operating temperatures exceed the temperature limits of normal operation. It was therefore necessary (recommended by manufacturer) to construct a cooling system (heat exchanger) for the bottles in order to have as far as possible stable operating range of the system and to avoid the above disadvantages. The temperature ranges that were achieved with the cooling system are: minimum 10.3 C and maximum 29 C. Furthermore it was found that with the same initial conditions (load, pressure bottle, etc.) during operation with the alternator, the fuel cell produced the same effect but for longer. This does not mean that we have a greater amount of hydrogen in the bottle, but by stabilizing the temperature, a more smooth operation of the system and especially more stable supply of hydrogen in the fuel cell is achieved, thereby increasing the performance. In this way, we improve the rate of absorption but not the amount of hydrogen absorbed. 8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ...9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: Τεχνολογία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) ) Εισαγωγή ) Τεχνολογία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Τεχνολογία ΑΠΕ) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2o: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ - ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΤΟΥ ) Γενικά για το υδρογόνο ) Το υδρογόνο ως ενεργειακό καύσιμο ) Φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου ) Χημικές ιδιότητες του υδρογόνου ) Θερμοφυσικές ιδιότητες του υδρογόνου ) Γενικές μέθοδοι παρασκευής του υδρογόνου ) Ηλεκτρολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου ) Παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού ) Φωτολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου ) Φωτοηλεκτρόλυση ) Το υδρογόνο ως ενεργειακό καύσιμο - Οικονομία του υδρογόνου ) Τρόποι μεταφοράς του υδρογόνου πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα των συστημάτων διανομής του ) Μεταφορά και διανομή Η ) Πλεονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας ) Μειονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας ) Γενικά περί ασφάλειας χρήσης υδρογόνου ) Διαρροές σε σωλήνες υδρογόνου ) Μπαταρίες

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ) Εισαγωγή στην αποθήκευση του υδρογόνου ) Αποθήκευση με συμπίεση ) Αποθήκευση με υγροποίηση ) Αποθήκευση του υδρογόνου σε προηγμένα υλικά ) Προσροφητικά υλικά ) Αποθήκευση σε CNTs ) Αποθήκευση του υδρογόνου σε μέταλλα και κράματα μετάλλων ) Σχηματισμός μεταλλικών υδριδίων κατά την προσρόφηση του υδρογόνου μέσα σε «καθαρά» μέταλλα ) Σύμπλοκα υδρίδια μετάλλων (ή υδρίδια των μεταλλικών κραμάτων) ) Σταθερότητα των μεταλλικών υδριδίων (συμπλόκων και μη) ) Αποθήκευση του υδρογόνου σε «καθαρά» νανοκρυσταλλικά μέταλλα και σε νανοκρυσταλλικά μεταλλικά κράματα ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ) Εισαγωγή στις κυψέλες καυσίμου ) Αρχή λειτουργίας ) Τύποι των κυψελών καυσίμου και χρήσεις τους ) Alkaline fuel cells (AFC) ) Phosphoric-acid fuel cells (PAFC) ) Solid oxide fuel cells (SOFC) ) Molten carbonate fuel cells (MCFC) ) Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) ) Σύγκριση των fuel cells ) Εφαρμογές των fuel cells

11 4.4.1) Το εμπόριο αυτοκίνησης ) Γεννήτριες ισχύος ) Άλλες εφαρμογές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑ ) Εισαγωγή ) Λειτουργία Υβριδικού συστήματος αποτελούμενο από ΦΒ πάνελ, Κυψέλες Καυσίμου και μπαταρίες ) Πειραματική Διάταξη ) Γεννήτρια Υδρογόνου ) Περιγραφή γεννήτριας υδρογόνου ) Εγκατάσταση Γεννήτριας Υδρογόνου ) Κυψέλες Καυσίμου (FUEL CELL) ) Το σύστημα τροφοδοσίας Υδρογόνου ) Σύστημα τροφοδοσίας αέρα ) Το σύστημα Ψύξης ) Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου ) Τα συστήματα Ασφαλείας ) Κανονική Λειτουργία ) Η αντίσταση φορτίου ) Φιάλες Αποθήκευσης υδρογόνου ) Εναλλάκτης θερμότητας ) Βαλβίδα εκτόνωσης υψηλής πίεσης ) Φωτογραφίες της πειραματικής διάταξης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6ο: ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ

12 6.1) Εικονική απεικόνιση πειραματικής διάταξης ) Παραγωγή υδρογόνου και αποθήκευση σε φιάλες ) Απόδοση συστήματος και επίδραση της θερμοκρασίας δωματίου και εναλλάκτη θερμότητας ) Φορτίο 670W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον ) Φορτίο 670W με εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον ) Φορτίο 670W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον ) Φορτίο 670W με εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον ) Φορτίο 970W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον ) Φορτίο 970W με εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον ) Φορτίο 970W με εναλλάκτη θερμότητας σε θερμό περιβάλλον ) Φορτίο 970W χωρίς εναλλάκτη θερμότητας σε ψυχρό περιβάλλον ) Φορτίο 970W με εναλλάκτη θερμότητας κλειστό ) Πειραματικά Δεδομένα ) Σύνοψη- Συμπεράσματα Συμπεράσματα Σύνοψη ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: Τεχνολογία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) 1.1) Εισαγωγή Η ενέργεια αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία της βιώσιμης ανάπτυξης, καθώς λίγες δραστηριότητες επηρεάζουν το περιβάλλον όσο η χρήση της ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιείται εξαρτάται από πεπερασμένους πόρους και συγκεκριμένα από ορυκτά καύσιμα που περιέχουν άνθρακα όπως είναι το πετρέλαιο, το κάρβουνο και το φυσικό αέριο, τα οποία έχουν σχηματιστεί κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων 12

13 χρόνων από βιομάζα φυτών. Με την πάροδο του χρόνου η ολοένα και πιο εντατική κατανάλωση των καυσίμων αυτών είναι αναπόφευκτη, καθώς η ανάπτυξη και η ευημερία των χωρών, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεών τους. Σύμφωνα με τη Διεθνή Ενεργειακό Οργανισμό [1], η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας αναμένεται να αυξηθεί κατά 50% μέχρι το Η ανεξέλεγκτη κατανάλωση των ορυκτών καυσίμων έχει ως συνέπεια την απελευθέρωση του διοξειδίου του άνθρακα και άλλων ρυπογόνων αερίων που είναι υπεύθυνα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και την όξινη βροχή. Τα φαινόμενα αυτά επηρεάζουν το κλίμα της Γης, τις καιρικές συνθήκες καθώς και τα θαλάσσια και χερσαία οικοσυστήματα. Συνεπώς, η εξάρτηση από τις εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας, αφού οι ποσότητες των ορυκτών καυσίμων είναι περιορισμένες και η ρύπανση του περιβάλλοντος, αποτελούν κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη και εκμετάλλευση νέων εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι φιλικές προς το περιβάλλον και ταυτόχρονα, ανεξάντλητες. Επιπλέον, η χρήση τους, πέραν από την ελαχιστοποίηση εκπομπής του διοξειδίου του άνθρακα, παρουσιάζει και τα παρακάτω πλεονεκτήματα [1]: Μείωση εκπομπής άλλων ρύπων, όπως τα οξείδια του αζώτου και του θείου, που είναι υπεύθυνα για πολλές βλάβες στην υγεία και ανάπτυξη του ανθρώπου καθώς και στην τροφική αλυσίδα. Μηδενίζεται η παραγωγή παραπροϊόντων, ρύπων εδάφους και υδάτων που επικάθονται στο έδαφος ή εισχωρούν στον υδροφόρο ορίζοντα, χωρίς να είναι δυνατόν να διασπασθούν βιολογικά, μολύνοντας έτσι αισθητικά και βιολογικά τις ανθρώπινες ομάδες. Τέλος, οι ΑΠΕ παρουσιάζουν μηδενικό κόστος πρώτων υλών, το οποίο σε συνδυασμό με τις μικρές απαιτήσεις συντήρησης που εμφανίζουν, συνεπάγεται περιορισμένο κόστος λειτουργίας. Έτσι, αντισταθμίζεται σε μεγάλο βαθμό το κόστος που απαιτείται για την εγκατάσταση των μονάδων εκμετάλλευσης τους. Οι πέντε κύριες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι η ηλιακή, η αιολική, η γεωθερμική, η υδροηλεκτρική και η βιομάζα (Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας [1]: 13 Ηλιακή ενέργεια Ο ήλιος παράγει ενέργεια για δισεκατομμύρια χρόνια και η ενέργεια αυτή προέρχεται από τις ακτίνες του (ηλιακή ακτινοβολία) που φθάνουν στη Γη. Αυτή η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε άλλες μορφές ενέργειας, όπως θερμότητα και ηλεκτρισμό. Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια με δύο τρόπους: 1. Φωτοβολταϊκά συστήματα ή "ηλιακά κύτταρα" που μετατρέπουν το φως του ήλιου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. 2. Θερμικά ηλιακά συστήματα στα οποία υπάρχουν κατάλληλοι συλλέκτες για την δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας και την αποθήκευση της, με τη μορφή θερμότητας, σε κάποιο ρευστό. Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια στηρίζεται στην εκμετάλλευση της κινητικής ενέργειας των ανέμων. Οι μηχανές που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό δεσμεύουν την κινητική ενέργεια του ανέμου και την μετατρέπουν είτε σε ηλεκτρική, είτε σε κάποια άλλη μορφή μηχανικής ενέργειας. Γεωθερμική ενέργεια Στη γεωθερμική ενέργεια αξιοποιούνται τα θερμά νερά και οι ατμοί που υπάρχουν σε υπόγειους ταμιευτήρες σε πολλές περιοχές της Γης. Τα ρευστά αυτά, όταν είναι εφικτό να αντληθούν με χαμηλό κόστος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε σε θερμικές εφαρμογές, είτε για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Υδροηλεκτρική ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια στηρίζεται στην εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του νερού των ποταμών και της μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια σε με τη βοήθεια στροβίλων και ηλεκτρογεννητριών.

14 Βιομάζα Η ενέργεια από βιομάζα είναι η χημική ενέργεια που εμπεριέχεται σε κάθε υλικό που προέρχεται άμεσα ή έμμεσα από το φυτικό κόσμο. Η καύση της βιομάζας, είτε απ' ευθείας είτε μετατρεπόμενη σε κατάλληλο καύσιμο, αποδίδει θερμική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικιλία εφαρμογών. Στο παρακάτω σχήμα 1.1 απεικονίζεται το διάγραμμα της μέσης μεταβολής της παγκόσμιας θερμοκρασίας της Γης από το 1860 μέχρι σήμερα, δηλαδή από την αρχή της εκβιομηχάνισης των ανθρώπινων κοινωνιών έως σήμερα, όπως έχει προκύψει από τις μελέτες της IPCC: Σχήμα 1.1: Διάγραμμα μεταβολής της μέσης θερμοκρασίας της γης τα τελευταία 150 χρόνια [2] Επίσης, στο παρακάτω σχήμα 1.2 απεικονίζεται το διάγραμμα μεταβολής των μέσων επιπέδων συγκέντρωσης του CO 2 στη γήινη ατμόσφαιρα τα τελευταία 1000 χρόνια (μπλε καμπύλη, άξονας τιμών αριστερά) σε συνάρτηση με τη διακύμανση της μέσης θερμοκρασίας αυτής (κόκκινη γραμμή, άξονας τιμών δεξιά) κατά το ίδιο χρονικό διάστημα: Σχήμα 1.2: Διάγραμμα μεταβολής των επιπέδων συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα της Γης σε συνάρτηση 14 με τη μεταβολή της μέσης θερμοκρασίας αυτής [2].

15 Όπως προκύπτει από τα παραπάνω σχήματα 1.1 και 1.2, η έντονη αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της Γης τα τελευταία 50 χρόνια συμβαδίζει με την μαζική αύξηση της εκπομπής του CO 2, λόγω της καύσης των ορυκτών καυσίμων από τον άνθρωπο. Να αναφερθεί, ότι η διαφαινόμενη άμεση απειλή από την παγκόσμια υπερθέρμανση τα αμέσως επόμενα χρόνια, αφορά πρωτίστως τις αλλαγές που θα συμβούν στη Γη εξαιτίας της βαθμιαίας ανόδου του επιπέδου των θαλασσών της, από τους πάγους που λιώνουν κυρίως στους δύο Πόλους της και της θερμικής διαστολής που παρατηρείται στα ωκεάνια ύδατά της. Τα αποτελέσματα απ' αυτό αναμένεται να είναι δραματικά, μιας και ως γνωστόν, ένα μεγάλο μέρος του παγκόσμιου πληθυσμού διαβιώνει σήμερα σε διάφορες παράκτιες περιοχές της. Οι κάτοικοι των περιοχών αυτών, αναμένεται στο μέλλον να αντιμετωπίσουν σημαντική επίπτωση στην καθημερινή τους ζωή, μιας και είναι πολύ πιθανό να έρθουν αντιμέτωποι με συνεχή «ακραία» καιρικά φαινόμενα όπως π.χ. πλημμύρες και τυφώνες, τα οποία θα προκαλέσουν την καταστροφή των τόπων διαβίωσής τους, προξενώντας μεγάλες οικονομικές ζημιές. Από την άλλη μεριά, σε μακροπρόθεσμη κλίμακα, η υπερθέρμανση του πλανήτη λόγω της έντασης του «φαινομένου του θερμοκηπίου» από τον άνθρωπο, αναμένεται να επηρεάσει σχεδόν συνολικά όλο τον παγκόσμιο πληθυσμό, μιας και είναι σχεδόν βέβαιη η μαζικής κλίμακας «ερημοποίηση» των περισσοτέρων εύκρατων περιοχών του, η μείωση της αγροτικής παραγωγής και των αποθεμάτων του νερού, η εξάπλωση της πείνας και των ασθενειών, η όλο και πιο συχνή δημιουργία «ακραίων» καιρικών φαινομένων η μείωση της παγκόσμιας βιοποικιλότητας κλπ. [3]. 1.2) Τεχνολογία Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (Τεχνολογία ΑΠΕ) Η αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) αποτελεί ένα αποτελεσματικό μέτρο για τις ανθρώπινες κοινωνίες σε παγκόσμιο επίπεδο, προκειμένου αυτές να αντικαταστήσουν τη χρησιμοποίηση των ορυκτών καυσίμων σαν κύρια μέσα μαζικής παραγωγής της ενέργειας τους και να μειώσουν τις επιπτώσεις που προκαλούνται από αυτά στη κλιματική ισορροπία του πλανήτη. Επιπλέον, στο επίπεδο των διαφόρων κρατών που δεν διαθέτουν πλούσια φυσικά αποθέματα σε ορυκτά καύσιμα (π.χ. πετρέλαιο), οι ΑΠΕ αποτελούν την καλύτερη λύση προκειμένου αυτά να στηρίξουν από μόνα τους τις ενεργειακές τους οικονομίες, χωρίς να χρειάζεται να εξαρτιόνται ενεργειακά από άλλα κράτη - παραγωγούς και προμηθευτές τους σε ορυκτές πρώτες ύλες Τέλος, οι ΑΠΕ θεωρούνται, τουλάχιστον μέχρι σήμερα, ως η μόνη πρακτικά εφαρμόσιμη εναλλακτική λύση έναντι της μαζικής χρήσης της πυρηνικής ενέργειας, μιας και τα αδιέξοδα που προκύπτουν από την εκτεταμένη χρησιμοποίηση αυτής είναι ως γνωστόν πολλά (π.χ. χρησιμοποίησή της για μη ειρηνικούς σκοπούς, ενδεχόμενα πυρηνικά ατυχήματα, μη ύπαρξη ολοκληρωμένου σχεδίου ασφαλούς και μακροπρόθεσμης διαχείρισης των πυρηνικών αποβλήτων της κ.λπ.). Το πλεονέκτημα που προκύπτει από την χρησιμοποίηση των ΑΠΕ έναντι της πυρηνικής ενέργειας ενισχύεται εξάλλου και από την άποψη, ότι προκειμένου να προσπαθήσει μελλοντικά η ανθρωπότητα να δημιουργήσει πολλούς «μικρούς τεχνητούς ήλιους» πάνω στη γη, με τη μορφή των πυρηνικών αντιδραστήρων, είναι πιο ασφαλές και πιο σίγουρο να εδραιώσει και να αναπτύξει την τεχνολογία των ΑΠΕ, η οποία είναι περισσότερο ήπια απ' ότι η πυρηνική ενέργεια και βασίζεται εξάλλου και η ίδια στη μετατροπή της ενέργειας του Ηλίου σε εκμεταλλεύσιμη ενέργεια για τον άνθρωπο. Θα πρέπει πάντως να τονίσουμε, ότι κάθε τεχνολογία ΑΠΕ στην πράξη, προκαλεί λιγότερο ή περισσότερο, ορισμένες μικρές αρνητικές συνέπειες στο φυσικό περιβάλλον. Κι αυτό γιατί οι διάφορες διαδικασίες μετατροπής της ενέργειας που παράγει, υφίστανται σε κάποιο βαθμό και κάποιες μη αναστρέψιμες μεταβολές. Ωστόσο αυτές οι μεταβολές είναι 15

16 προφανώς πολύ μικρότερες από αυτές που προκαλούν στο περιβάλλον οι συμβατικές τεχνολογίες των μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, με αποτέλεσμα η μαζική χρήση των ΑΠΕ συνολικά να καθίσταται πολύ λιγότερο επιζήμια σε σχέση μ' αυτές. Συνήθως, μια σειρά από περιβαλλοντικά κριτήρια / κατευθυντήριες γραμμές χρησιμοποιούνται προκειμένου να καθορίσουν πότε μια οποιαδήποτε νέα τεχνολογία μπορεί να θεωρηθεί σημαντική ως προς τις προοπτικές της αειφορίας της. Τα κριτήρια αυτά είναι τα εξής [3]: Η αποφυγή της χρήσης, κατά την εφαρμογή της, καυσίμων που εξαντλούνται εύκολα ή σχετικά εύκολα. Η βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητάς της, στην περίπτωση που βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα, δηλαδή η αύξηση της εκμετάλλευσης του ενεργειακού περιεχομένου των ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιεί σε σχέση με τις προγενέστερες τεχνολογίες της, αλλά αυτό μόνο με το σκεπτικό, ότι η χρήση της θα αποτελέσει ένα προσωρινό μέτρο το οποίο δεν θα ισχύει όταν θα αντικατασταθεί από μία νέα τεχνολογία πραγματικών ΑΠΕ. Η βελτίωση της αποδοτικότητας των ενεργειακών συστημάτων μετατροπής της πρωτογενούς ενέργειας που χρησιμοποιεί, η οποία θα πρέπει οπωσδήποτε να είναι υψηλή. Η χρησιμοποίηση των καταλληλότερων καυσίμων για την εκάστοτε ενεργειακή μετατροπή που πραγματοποιεί και η σωστή συσχέτιση αυτών με τις τελικές ανάγκες του χρήστη. Η θεώρηση των τοπικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων που συνεπάγεται η χρήση της σαν σημαντικού παράγοντα κατά την εφαρμογή της και ο συμψηφισμός των επιπτώσεων αυτών με τα ευρύτερα περιβαλλοντικά οφέλη που συνεπάγεται η χρήση σε παγκόσμια κλίμακα. Η αποφυγή απόσπασης, από τις φυσικές ενεργειακές της ροές, ποσοτήτων ενέργειας μεγαλυτέρων από αυτές που χρειάζονται τα εκάστοτε τοπικά οικοσυστήματα από τα οποία τις αντλεί προκειμένου αυτά να λειτουργήσουν ομαλά. Ο συνυπολογισμός, κατά τον ενεργειακό της σχεδιασμό, των άμεσων αλλά και των έμμεσων επιπτώσεων για τις τοπικές ανθρώπινες κοινωνίες εκτός από το ευρύτερο κοινωνικό σύνολο. Η ήπια και οργανωμένη ανάπτυξή της, έτσι ώστε να διασφαλίζεται η μη υπέρβαση της μέγιστης ικανότητας του φυσικού περιβάλλοντος σε παραγωγή πρώτων υλών της, μιας και ως γνωστόν το περιεχόμενο αυτού σε φυσικούς ενεργειακούς πόρους δεν είναι ανεξάντλητο. Η συνεκτίμηση του περιβαλλοντικού κόστους της με τα καθαρά οικονομικά κόστη που προκύπτουν από την εφαρμογή της και η συνεκτίμηση αυτών με το συνολικό κόστος που συνεπάγεται παγκοσμίως ο άνθρωπος. Η στενή παρακολούθηση των εκπεμπόμενων ρύπων της, μέσα από μία λεπτομερή ανάλυση του ενεργειακού κύκλου ζωής της ως προς το περιβάλλον της Γης. Είναι γνωστό, ότι οι περισσότερες μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα προέρχονται, άμεσα ή έμμεσα, από την ενέργεια του Ηλίου. Τα ορυκτά καύσιμα για παράδειγμα, τα οποία ως γνωστόν αποτελούν σήμερα την «κινητήρια» δύναμη της σύγχρονης παγκόσμιας ενεργειακής οικονομίας, δεν είναι τίποτε άλλο παρά η αποθηκευμένη ποσότητα της ενέργειας του Ηλίου η οποία δεσμεύτηκε κάποια στιγμή από διάφορους φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς και οι οποίοι στη συνέχεια, κάτω από ειδικές συνθήκες και με την πάροδο πολλών εκατομμυρίων ετών, μετατράπηκαν τελικά σε διάφορες μορφές ορυκτών καυσίμων. Επειδή όμως οι ποσότητες των διαφόρων ορυκτών καυσίμων της Γης απαιτούν τόσο μεγάλα χρονικά διαστήματα προκειμένου να σχηματιστούν, μόλις τα αποθέματά τους που βρίσκονται στο υπέδαφός της υπερκαταναλωθούν από τον άνθρωπο, δεν προλαβαίνουν να αντικατασταθούν άμεσα από άλλα νέα αποθέματα προκειμένου να εξυπηρετήσουν τις επόμενες ανθρώπινες γενεές, με αποτέλεσμα στην ουσία να χάνονται για πάντα. Αντιθέτως, οι διάφορες μορφές ΑΠΕ βασίζονται σε συνεχείς ενεργειακές εισροές από τον Ήλιο, οι οποίες έχουν σαν αποτέλεσμα να δημιουργούνται ανεξάντλητα αποθέματα 16

17 ανανεώσιμων πηγών ενέργειάς τους, τα οποία με τη σειρά τους μπορούν να εκμεταλλευτούν σε πιο μακροπρόθεσμη κλίμακα από τον άνθρωπο. Τα τεράστια αυτά αποθέματα υπάρχουν στις διάφορες μορφές ΑΠΕ, είτε στην πρωτογενή τους μορφή, δηλαδή σαν «καθαρή» ηλιακή ενέργεια, είτε σε δευτερογενείς μορφές ενέργειας μέσα στα διάφορα φυσικά υλικά του πλανήτη (π.χ. στον αέρα με τη μορφή της αιολικής ενέργειας, στο υπέδαφος της γης με τη μορφή των ζεστών υδάτων και πετρωμάτων της (γεωθερμία), στους υδάτινους όγκους των θαλασσών, των ποταμών και των λιμνών με τη μορφή της κινητικής ενέργειας των κυμάτων ή της δυναμικής ενέργειας των υδάτινων ροών, στους φυτικούς και στους ζωικούς οργανισμούς με τη μορφή της βιομάζας κ.τ.λ.). Στις διάφορες μορφές ΑΠΕ που δημιουργούνται κατά την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας μέσα στη μάζα των διαφόρων φυσικών υλικών του πλανήτη, ανήκει και η χημική ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη στο φυσικό στοιχείο υδρογόνο (H 2 ), του αφθονότερου στοιχείου του σύμπαντος. Οι μέθοδοι με τις οποίες ο άνθρωπος θα μπορέσει μελλοντικά να παράγει μαζικά ενέργεια από το στοιχείο αυτό καθώς και οι διάφορες ενεργειακές τεχνολογίες που θα τον βοηθήσουν σ' αυτό, αποτελούν και το κύριο θέμα της παρούσας Διπλωματικής εργασίας. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2o: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ - ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΝΟΜΗΣ ΤΟΥ 2.1) Γενικά για το υδρογόνο Το υδρογόνο (Η2) σε θερμοκρασία δωματίου, βρίσκεται σε αέρια φάση και είναι το ελαφρύτερο στοιχείο του Περιοδικού Πίνακα καθώς το άτομό του αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, και η μάζα 1 L υδρογόνου είναι μόλις 0.09g. Το υδρογόνο υπάρχει σχεδόν παντού, αλλά δυστυχώς είναι δύσκολο να βρεθεί στη φύση ως ξεχωριστό στοιχείο, αντί αυτού συνδέεται με χημικό δεσμό με το οξυγόνο στο νερό και με τον άνθρακα σε υδρογονάνθρακες. Το υδρογόνο που υφίσταται δεσμευμένο στο νερό και σε οργανικές ενώσεις αποτελεί περισσότερο από το 70% της γήινης επιφάνειας [4]. Έτσι το υδρογόνο βρίσκεται σε αφθονία στο σύμπαν, αφού εμπεριέχεται στα κύτταρα, στην κερατίνη, στα ένζυμα που συντελούν στην πέψη, στα μόρια του DNA, ενώ βρίσκεται άφθονο στις τροφές υπό τη μορφή λιπών, πρωτεϊνών και υδρογονανθράκων. Αυτό το άχρωμο, άοσμο, και άγευστο χημικό στοιχείο αποτελεί μία χρήσιμη "πρώτη ύλη" για ποικίλες βιομηχανικές δραστηριότητες και ένα σημαντικότατο καύσιμο που επαρκεί να τροφοδοτήσει το σύνολο των δραστηριοτήτων της κοινωνίας, από τις ανάγκες για ηλεκτρικό στα σπίτια, στις επιχειρήσεις, στη βιομηχανία ακόμα και ως καύσιμο στις μεταφορές. 2.2) Το υδρογόνο ως ενεργειακό καύσιμο Tο υδρογόνο, εκτός από το να είναι ένα πολύ χρήσιμο αντιδραστήριο για την παραγωγή πολλών χημικών ουσιών, είναι επίσης το πιο καθαρό και φιλικό καύσιμο προς το περιβάλλον, το οποίο όταν καίγεται, παράγει νερό, αντί των αερίων του θερμοκηπίου, και διαθέτει υψηλή ενεργειακή απόδοση της τάξης των 122 kj / g, το οποίο είναι 2.75 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των καυσίμων που προέρχονται από υδρογονάνθρακες. Το υδρογόνο θεωρείται πράγματι ένα βιώσιμο πιθανό εναλλακτικό καύσιμο και ο ενεργειακός φορέας του μέλλοντος [5]. 17

18 Το υδρογόνο αποτελεί έναν υψηλής ποιότητας δευτερεύων ενεργειακό φορέα και δεν πρέπει να θεωρείται ως πρωτογενής πηγή ενέργειας. Επομένως, πρέπει να παραχθεί από μία άλλη πρώτη ύλη, γεγονός που θέτει προκλήσεις και πολυπλοκότητα, αλλά συγχρόνως προσφέρει την δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί ένα διαφοροποιημένο ενεργειακό μίγμα που θα μειώσει την εξάρτηση από τις εισαγωγές πετρελαίου, θα μειώσει τις εκπομπές αερίων που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και θα αποτελεί ένα βιώσιμο ενεργειακό σύστημα [6]. Σήμερα, το υδρογόνο συναντάται σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών, μεταξύ των οποίων είναι η χρήση του ως πρώτη ύλη για την παραγωγή των χημικών ουσιών, υδρογόνωση των λιπιδίων και ελαίων στη βιομηχανία τροφίμων, παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών, επεξεργασία του χάλυβα, καθώς και για αποθείωση και εκ νέου διαμόρφωση της βενζίνης στα διυλιστήρια [5]. Επιπλέον, χρησιμοποιείται στο διαστημικό πρόγραμμα της NASA, ως καύσιμο για τα διαστημικά λεωφορεία και σε κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούμενες από μεμβράνες τροφοδοτούμενες με υδρογόνο, θεωρούνται ο καλύτερος τύπος κυψελών καυσίμου που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας σε οχήματα και έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν τη βενζίνη και το ντίζελ σε κινητήρες εσωτερικής καύσης (www.fctec.com). Σύμφωνα με το Εθνικό Πρόγραμμα Υδρογόνου των Ηνωμένων Πολιτειών, η συμβολή του υδρογόνου στη συνολική ενεργειακή αγορά αναμένεται να είναι 8-10% μέχρι το 2025 [7]. Το υδρογόνο λοιπόν έχει την υψηλότερη ενεργειακή απόδοση ανά μονάδα βάρους, από όλα τα καύσιμα. Συγκεκριμένα 1 kg υδρογόνου περιέχει την ίδια ποσότητα ενέργειας με 2.1 kg φυσικού αερίου ή 2.8 kg βενζίνης (120.7 kj/kg). Εντούτοις, σήμερα το υδρογόνο παίζει μεν ένα σημαντικό ρόλο στην παγκόσμια οικονομία της ενέργειας, αλλά μέχρι σήμερα αυτός ο ρόλος περιορίζεται σχεδόν μόνο στη χημική βιομηχανία (σύνθεση χημικών προϊόντων, βιομηχανία γυαλιού, τροφίμων κλπ.) και σπάνια χρησιμοποιείται ως καύσιμο. Αυτό συμβαίνει αφενός γιατί δεν υπάρχει η υποδομή για ευρεία χρήση του και αφετέρου γιατί υπάρχει μια «προκατάληψη» ότι το υδρογόνο είναι επικίνδυνο κατά τη χρήση του, με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η κατά το δυνατό χρήση του. Αποδεικνύεται όμως ότι αν το υδρογόνο συγκριθεί με τη βενζίνη σε περίπτωση διαρροής και ανάφλεξης, το υδρογόνο είναι περισσότερο ασφαλές, καθώς ως ελαφρύτερο από τον αέρα, ανεβαίνει και διασκορπίζεται στην ατμόσφαιρα καιγόμενο προς τα πάνω, ενώ η βενζίνη ως υγρό καίγεται στο σημείο διαρροής αποδίδοντας δηλητηριώδεις αναθυμιάσεις (CO 2, CO κλπ.). Παρόλο που σε υγρή κατάσταση (-253 βαθμούς ο C) το υδρογόνο χρησιμοποιείται σήμερα ως καύσιμο πυραύλων, η αέρια μορφή του δεν χρησιμοποιείται, αλλά υπάρχει ελπίδα ότι ίσως γίνει το νούμερο ένα καύσιμο του 21ου αιώνα. Όταν καίγεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος αποτελείται περίπου από 68% άζωτο, παράγονται επίσης πολύ μικρές ποσότητες οξειδίων του αζώτου. Εξαιτίας της καθαρής καύσης του δε συμβάλει στη μόλυνση του περιβάλλοντος. Το ποσό του νερού που παράγεται κατά την καύση του είναι τέτοιο ώστε να θεωρείται επίσης αμελητέο και μη ικανό να επιφέρει κάποια κλιματική αλλαγή. Το υδρογόνο είναι πιο ακίνδυνο από τη βενζίνη, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο καθώς είναι λιγότερο εύφλεκτο σε απουσία αέρα με θερμοκρασία ανάφλεξης τους 585 ο C (έναντι 480 ο C της βενζίνης). Μπορεί λοιπόν με μεγάλη ασφάλεια να χρησιμοποιηθεί το υδρογόνο σε κινητήρα αυτοκινήτου, πετυχαίνοντας οφέλη, τόσο στην οικονομία του καυσίμου όσο και στην μείωση των ρύπων προς το περιβάλλον [8]. Για όλους τους λόγους που προαναφέρθηκαν, το υδρογόνο μπορεί να θεωρηθεί ένα πολύ υποσχόμενο καύσιμο του μέλλοντος με ποικίλες εφαρμογές, συμβάλλοντας στην οικονομική ανάπτυξη της χώρας. 2.3) Φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου Όπως συμβαίνει με τα μόρια των περισσοτέρων αερίων, το μόριο του αέριου υδρογόνου είναι όπως έχουμε πει διατομικό. Υπό ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, το 18

19 υδρογόνο σαν αέριο είναι πολύ ελαφρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Συγκεκριμένα, σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (Κ.Σ.), δηλαδή πίεση 1 atm ( kpa) και θερμοκρασία 0 C ( K), το υδρογόνο έχει πυκνότητα kg*m -3, δηλαδή περίπου δέκα φορές μικρότερη από αυτήν του αέρα. Για τον λόγο αυτό και σε συνδυασμό με την πολύ μικρή μάζα του μορίου του, το υδρογόνο διαφεύγει πολύ εύκολα από το βαρυτικό πεδίο της γης και έτσι βρίσκεται σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις στην ατμόσφαιρα αυτής. Με εξαίρεση το αέριο He, το αέριο υδρογόνο έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού (20 βαθμοί K σε P = 1atm) και το χαμηλότερο σημείο πήξεως (14 βαθμοί K στην ίδια P) από όλα τα υπόλοιπα αέρια. Όταν η θερμοκρασία του αέριου υδρογόνου κατεβεί κάτω από τους 20,268 βαθμούς Κ σε Κ.Σ. πίεσης (δηλαδή σε P = 1atm), αυτό αρχίζει να υγροποιείται, περνώντας σταδιακά από την αέρια στην υγρή του φάση. Η πρώτη ποσότητα υγρού υδρογόνου που παρασκευάστηκε ποτέ από τον άνθρωπο, οφείλεται στον Άγγλο χημικό Sir James Dewar, ο οποίος την παρήγαγε το Το υγρό υδρογόνο σε μικρές ποσότητες είναι άχρωμο, αλλά όταν μελετάται σε λεπτά δείγματα παίρνει ένα ανοιχτό μπλε. Με συνεχή μείωση της θερμοκρασίας του σε Κ.Σ. πίεσης (P= 1atm), το υγρό υδρογόνο τελικά στερεοποιείται στους 14,025 βαθμούς Κ. Το στερεό υδρογόνο σαν υλικό, είναι κι αυτό άχρωμο όπως και το υγρό υδρογόνο. Στη φύση, το υδρογόνο συναντιέται με τρία διαφορετικά ισότοπα ατόμου του μορίου του. Το ισότοπο που αποτελεί το 99,98% της συνολικής του ποσότητας σ' αυτήν, ονομάζεται πρώτιο ( 1 H) και αποτελείται από ένα πρωτόνιο και από ένα ηλεκτρόνιο. Σε ποσοστό 0,02% συναντούμε επίσης στη φύση ένα δεύτερο ισότοπο του υδρογόνου, το δευτέριο ( 2 H ή 2 D), το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το δευτέριο χρησιμοποιείται σήμερα στις περισσότερες από τις εργαστηριακές εφαρμογές του υδρογόνου. Το τρίτο, κατά φθίνουσα σειρά ποσότητας, αέριο ισότοπο του υδρογόνου στη φύση, είναι το λεγόμενο τρίτιο ( 3 H ή 3 Τ), το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο, δύο νετρόνια και ένα ηλεκτρόνιο. Το τρίτιο βρίσκεται σε αναλογία στη φύση με τα υπόλοιπα άτομα του υδρογόνου σε έναν συντελεστή της τάξης των 1/10000 άτομα υδρογόνου και είναι ραδιενεργό, με χρόνο ημίσειας ζωής που προσεγγίζει τα 12,4 χρόνια περίπου. Μέχρι σήμερα, εκτός των τριών παραπάνω ισοτόπων που αναφέρθηκαν προηγουμένως, έχει γίνει δυνατό να παραχθούν σε εργαστηριακή κλίμακα μερικά άλλα ισότοπα του υδρογόνου, τα οποία περιλαμβάνουν μέχρι και 6 νετρόνια στον πυρήνα του ατόμου τους [9]. Κατά τη κβαντομηχανική προσέγγιση του μορίου του υδρογόνου (του 1 H του), τα πρωτόνια των δύο ατόμων του, περιβάλλονται από ένα ηλεκτρονικό νέφος 2 ηλεκτρονίων. Η πυκνότητα πιθανότητας του ηλεκτρονικού αυτού νέφους είναι αυξημένη στον χώρο μεταξύ των πρωτονίων των ατόμων του, έτσι ώστε το κάθε ένα από τα άτομα του μορίου του να «θωρακίζεται» από το ομόσημο φορτίο του απέναντι ατόμου του. Η συγκεκριμένη κατάσταση των ατόμων του μορίου του υδρογόνου περιγράφεται ικανοποιητικά μέσω μιας άρτιας κυματοσυνάρτησης (δηλαδή μέσω μιας συμμετρική συνάρτησης), η αποδίδει την χωρική κατανομή των ηλεκτρονίων των ατόμων του μέσα στο μόριό του. Η συνολική όμως κατανομή των ηλεκτρονίων του μορίου του (δηλαδή το γινόμενο της χωρικής κατανομής τους και της κατανομής τους λόγω των σπιν τους), αναγκαστικά περιγράφεται από μία αντισυμμετρική κυματοσυνάρτηση κατανομής, σύμφωνα και με την αρχή του Pauli. Έτσι, η κυματοσυνάρτηση κατανομής η οποία περιγράφει την κατανομή των σπιν των ηλεκτρονίων μέσα στο μόριο του υδρογόνου, θα πρέπει αναγκαστικά κι αυτή να είναι αντισυμμετρική, δηλαδή τα σπιν των ηλεκτρονίων μέσα στο μόριο του υδρογόνου είναι μεταξύ τους αντιπαράλληλα. Στο παρακάτω σχήμα 2.1, φαίνεται η σχηματική αναπαράσταση του ηλεκτρονικού νέφους γύρω από το μόριο του υδρογόνου. Με έντονο χρώμα γκρι χρώμα απεικονίζεται η αυξημένη πυκνότητα του νέφους των ηλεκτρονίων στον χώρο μεταξύ των δύο ατόμων που αποτελούνε το μόριο του υδρογόνου: 19

20 20 Σχήμα 2.1: Ηλεκτρονικό νέφος γύρω από το μόριο του υδρογόνου. Οι πιο σκούρες περιοχές της εικόνας 2.4) Χημικές ιδιότητες του υδρογόνου παριστάνουν μεγαλύτερη ηλεκτρονική πιθανότητα [9]. Το γεγονός ότι, όπως έχουμε αναφέρει παραπάνω, το υδρογόνο σε ελεύθερη αέρια κατάσταση δεν αντιδρά συνήθως με άλλα στοιχεία ή χημικές ενώσεις, οφείλεται κυρίως στην σταθερότητα του χημικού δεσμού μεταξύ των ατόμων των μορίων του, ο οποίος είναι τόσο σταθερός, ώστε να μην επιτρέπει στα μόρια αυτού να διασπαστούν και να αντιδράσουν σαν μεμονωμένα άτομα. Από την άλλη μεριά, όταν το μοριακό υδρογόνο θερμαίνεται πάνω από φλόγα, αντιδρά σε συνθήκες περιβάλλοντος βίαια με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα και δίνει σαν παράγωγα νερό και θερμότητα σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση: 2H 2 + O 2 2H 2 O + heat (2.1) Από την αντίδραση αυτή, η οποία προφανώς αποτελεί μία αντίδραση οξείδωσης του υδρογόνου με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, παράγεται, όπως είπαμε, ταυτόχρονα με το νερό και θερμότητα (εξώθερμη αντίδραση). Η θερμότητα αυτή ισούται περίπου με kJ / mol παραγόμενου H 2 O. Οι δεσμοί που σχηματίζουν τα άτομα μέσα στο μόριο του υδρογόνου είναι ομοιοπολικής φύσης και χαρακτηρίζονται, όπως είπαμε, από μεγάλη σταθερότητα. Το ίδιο, όσον αφορά την ομοιοπολική τους φύση, ισχύει και για τους δεσμούς που σχηματίζονται μεταξύ των ατόμων του υδρογόνου και μεταξύ των ατόμων άλλων στοιχείων μέσα στις διάφορες χημικές ενώσεις. Κάτι τέτοιο συμβαίνει για παράδειγμα μεταξύ των ατόμων του μορίου του H 2 O, στο οποίο τα δύο άτομα Η που περιέχει ενώνονται με το ένα και μοναδικό άτομο του Ο μέσω ομοιοπολικών δεσμών (Η-Ο-Η). Επίσης το ίδιο παρατηρούμε και στο μόριο του μεθανίου (CH 4 ) που σχηματίζεται κατά την ένωση του υδρογόνου με τον άνθρακα, στο οποίο τα τέσσερα άτομα του Η σχηματίζουν 4 ομοιοπολικούς δεσμούς με το μοναδικό άτομο του C. Ως προς την σταθερότητά τους, οι ομοιοπολικοί δεσμοί που σχηματίζουν τα άτομα του υδρογόνου με τα άτομα άλλων στοιχείων μέσα στις διάφορες χημικές ενώσεις, δεν είναι πάντοτε πολύ ισχυροί και γι' αυτό συχνά διασπόνται σχετικά εύκολα. Κάτι τέτοιο παρατηρείται κατά κανόνα στην περίπτωση των ομοιοπολικών δεσμών που σχηματίζονται μεταξύ του υδρογόνου και διαφόρων άλλων ατόμων μέσα στα μόρια των οξέων. Έτσι, για παράδειγμα, στο μόριο του μεθανικού οξέως (CH 3 COOH), το υδρογόνο σχηματίζει εξαιρετικά ασταθείς ομοιοπολικούς δεσμούς με τα άτομα του C και του O, με αποτέλεσμα όταν το μεθανικό οξύ διαλυθεί στο νερό, να διασπάται εύκολα σε αρνητικά και θετικά ιόντα (CH 3 COO και H + ). Να αναφερθεί τέλος, ότι το υδρογόνο σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να σχηματίσει και δεσμούς ιοντικής φύσης με ορισμένα στοιχεία, κάτι που συμβαίνει για παράδειγμα κατά την αντίδρασή του με το χλώριο και τον σχηματισμό του HCl. Μια τρίτη κατηγορία δεσμών που μπορεί να σχηματίσει το υδρογόνο με άτομα άλλων χημικών στοιχείων και η οποία συναντιέται μόνο σ' αυτό, είναι οι λεγόμενοι δεσμοί υδρογόνου (hydrogen bonds). Τα διάφορα άλλα χημικά στοιχεία με τα οποία το υδρογόνο μπορεί να σχηματίσει αυτούς τους δεσμούς υδρογόνου είναι τα: O, S, N, F και Cl. Η

21 ενέργεια του συγκεκριμένου δεσμού είναι σχετικά μικρή. Δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται επίσης και μεταξύ των διαφορετικών μορίων των χημικών ενώσεων που περιέχουν στο μόριό τους το υδρογόνο και κάποιο από τα παραπάνω στοιχεία. Χαρακτηριστικότερο γι' αυτό παράδειγμα, αποτελούν τα μόρια του H 2 O σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα οποία υπό τις συνθήκες αυτές ενώνονται μεταξύ τους μέσω δεσμών υδρογόνου σε συμπλέγματα μορίων H2O. Ο δεσμός του υδρογόνου, σαν χημικός δεσμός, κατά το μεγαλύτερο του μέρος οφείλεται σε δυνάμεις Van Der Waals, ενώ κατά ένα μικρότερο ποσοστό έχουμε και συμμετοχή δυνάμεων καθαρά χημικού δεσμού [9]. Να αναφερθεί τέλος, ότι στις χημικές ιδιότητες του υδρογόνου ανήκει και το γεγονός, ότι όταν αυτό βρεθεί κάτω το από πολύ μεγάλη πίεση (1,5-106atm) και θερμοκρασία (3000 C 5000 C), μπορεί να συμπεριφερθεί σαν μέταλλο, αντανακλώντας το φως και γινόμενος αγωγός του ηλεκτρικού ρεύματος. 2.5) Θερμοφυσικές ιδιότητες του υδρογόνου Οι ιδιότητες της ύλης που συνδέονται με τη μετάδοση της θερμότητας, συνήθως χαρακτηρίζονται σαν θερμοφυσικές ιδιότητες. Αυτές διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τις θερμοδυναμικές ιδιότητες και τις ιδιότητες μεταφοράς. Στην πρώτη κατηγορία συγκαταλέγονται ιδιότητες όπως η ειδική θερμοχωρητικότητα και η πυκνότητα, ενώ στη δεύτερη κατηγορία ιδιότητες όπως ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας k, που σχετίζεται άμεσα με την αγωγή θερμότητας και η κινηματική συνεκτικότητα ν που σχετίζεται με τη συναγωγή της θερμότητας. Κάθε υλικό (απλό ή σύνθετο), χαρακτηρίζεται από διάφορες θερμοφυσικές φάσεις στο εσωτερικό της μάζας του. Γενικά, ως (θερμοφυσική) φάση, ορίζεται η ομογενής περιοχή της μάζας ενός υλικού, η οποία διαφέρει σε δομή ή σύσταση από κάποια άλλη γειτονική της περιοχή μέσα στη μάζα του. Σε κάθε σταθερό υλικό, κάτω από κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας και ανάλογα με τη μέθοδο που έχει ακολουθηθεί για την παρασκευή του, μπορούν να σχηματιστούν περισσότερες από μία ομογενείς περιοχές της μάζα του, δηλαδή περισσότερες από μία φάσεις του. Οι διαφορετικές αυτές φάσεις βρίσκονται πάντα σε ισορροπία μεταξύ τους, χωρίς να παρατηρούνται κάποιες αλλαγές στη σύστασή τους σε συνάρτηση με το χρόνο, δηλαδή αποτελούν καταστάσεις μακροσκοπικής σταθερότητας του υλικού. Η ισορροπία των διαφόρων θερμοφυσικών φάσεων στο εσωτερικό της μάζας ενός σταθερού υλικού περιγράφεται από τον νόμο του Gibbs, ο οποίος αποδίδεται μαθηματικά με την παρακάτω ισότητα: F = C - P + 2 (2.2) Όπως προκύπτει από την παραπάνω ισότητα, οι βαθμοί ελευθερίας F ενός οποιουδήποτε διαλύματος που αποτελείται από ένα ή περισσότερα διαφορετικά υλικά σε ισορροπία διαφορετικών φάσεων μεταξύ τους, είναι συνάρτηση του αριθμού C των υλικών αυτών και του αριθμού των φάσεών τους P μέσα στο συγκεκριμένο διάλυμα. Αναφερόμενοι τώρα στο υδρογόνο μπορούμε να πούμε, ότι ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας στις οποίες βρίσκεται, μπορεί να υπάρξει σε τρεις διαφορετικές φάσεις (υγρή, αέρια και στερεή). Οι φάσεις αυτές μπορούν να εμφανιστούν και ταυτόχρονα στη μάζα του σε θερμοδυναμική ισορροπία μεταξύ τους, ανάλογα πάλι με τις συνθήκες της πίεσης και της θερμοκρασίας. Στο παρακάτω σχήμα 2.2, απεικονίζεται προσεγγιστικά το 21

22 διάγραμμα σχηματισμού των διαφόρων φάσεων που μπορούν να υπάρξουν σε θερμοδυναμική ισορροπία μεταξύ τους μέσα στη μάζα μιας ορισμένης ποσότητας υδρογόνου, όταν η πίεση και η θερμοκρασία αυτού μεταβάλλονται: Διάγραμμα2.2: Διάγραμμα πίεσης, θερμοκρασίας και διαφορετικών θερμοφυσικών φάσεων σε ισορροπία για το υδρογόνο [10]. Όπως παρατηρούμε από το παραπάνω διάγραμμα, τόσο η στερεά όσο και η υγρή και η αέρια φάση του υδρογόνου χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένες περιοχές πίεσης και θερμοκρασίας πάνω στο διάγραμμα. Οι τρεις αυτές φάσεις οριοθετούνται από τρεις αντίστοιχες καμπύλες (τις a, b και c στο σχήμα), οι οποίες παριστάνουν η καθεμία τους ισόογκη μεταβολή. Πάνω σε κάθε μία από αυτές τις καμπύλες, το υδρογόνο συνυπάρχει σαν «διάλυμα» δύο φάσεών του, οι οποίες χαρακτηρίζουν και τις περιοχές εκτός της εκάστοτε καμπύλης. Η συγκεκριμένη κατάσταση παραμένει αμετάβλητη σε όλο το μήκος κάθε καμπύλης. Στις περιοχές που βρίσκονται εκτός των τριών καμπυλών του παραπάνω διαγράμματος, το υδρογόνο χαρακτηρίζεται από μία και μοναδική φάση (μονοφασικές περιοχές του διαγράμματος) και μόνο σε ένα και μοναδικό σημείο του διαγράμματος, στο οποίο οι τρεις καμπύλες συναντιούνται μεταξύ τους, μπορεί να συνυπάρξει και με τις τρεις διαφορετικές του φάσεις. Οι τρεις διαφορετικές καμπύλες μεταβολής που οριοθετούν τις τρεις μονοφασικές περιοχές του υδρογόνου στο παραπάνω διάγραμμα έχουν την εξής ονομασία: 1. Καμπύλη a: Ονομάζεται καμπύλη τήξης και το υδρογόνο βρίσκεται πάνω σ' αυτή με την μορφή διφασικού διαλύματος στερεής και υγρής φάσης. 2. Καμπύλη b: Ονομάζεται καμπύλη εξάτμισης και το υδρογόνο βρίσκεται πάνω σ' αυτή με την μορφή διφασικού διαλύματος αέριας και υγρής φάσης. 3. Καμπύλη c: Ονομάζεται καμπύλη εξάχνωσης και το υδρογόνο βρίσκεται πάνω σ' αυτή με τη μορφή διφασικού διαλύματος στερεής και αέριας φάσης. Στο ένα και μοναδικό σημείο στο οποίο οι παραπάνω καμπύλες συναντιούνται μεταξύ τους, το υδρογόνο, όπως είπαμε, υπάρχει σαν διάλυμα και των τριών του φάσεων, δηλαδή της αέριας της στερεής και της υγρής του φάσης. Το μοναδικό αυτό σημείο ονομάζεται και τριπλό σημείο και χαρακτηρίζεται από θερμοκρασία Τ = Κ και πίεση P = 7.04 kpa, όπως απεικονίζεται και στο παραπάνω διάγραμμα. Στο τριπλό σημείο, οι τρεις διαφορετικές φάσεις του υδρογόνου βρίσκονται σε ισορροπία μεταξύ τους (οπότε στον νόμο του Gibbs θα έχουμε P=3), ενώ το όλο διάλυμά τους αποτελείται προφανώς από μια και μοναδική συνιστώσα (από το μοναδικό δομικό συστατικό του, δηλαδή το υδρογόνο), άρα C=1. Επομένως από τον νόμο των φάσεων του Gibbs θα έχουμε ότι: F = C - P + 2 => F = => F = 0 (2.3) Συμπεραίνουμε δηλαδή, ότι στο τριπλό σημείο, οι βαθμοί ελευθερίας του τριφασικού διαλύματος του υδρογόνου είναι ίσοι με 0. Επομένως στο σημείο αυτό, καμιά από τις μεταβλητές (πίεση ή θερμοκρασία) του τριφασικού του διαλύματος δεν μπορεί να μεταβληθεί ανεξάρτητα η μία από την άλλη, έτσι ώστε οι τρεις φάσεις του να συνεχίσουν να συνυπάρχουν σε ισορροπία μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει, ότι στη μάζα μιας οποιασδήποτε ποσότητας υδρογόνου δεν μπορεί να υπάρξει κάποια θερμοδυναμική κατάσταση, πέραν του τριπλού σημείου, στην οποία το υδρογόνο να συνυπάρξει σαν διάλυμα και των τριών του θερμοφυσικών φάσεων. Ένα άλλο σημαντικό σημείο που χαρακτηρίζει το διάγραμμα πίεσης, θερμοκρασίας και μεταβολής των φάσεων του υδρογόνου που απεικονίζεται στο παραπάνω σχήμα 2.2, είναι και το λεγόμενο κρίσιμο σημείο. Το κρίσιμο σημείο αντιπροσωπεύει για το υδρογόνο τη χαμηλότερη τιμή πίεσης και θερμοκρασίας στην οποία μπορούν να συνυπάρξουν σε ισορροπία μεταξύ τους δύο συγκεκριμένες φάσεις του: η υγρή του και η αέριά του φάση. Το συγκεκριμένο σημείο έχει σαν θερμοδυναμικές τιμές: Θερμοκρασία: 22

23 Τ = Κ και Πίεση: P = kpa. Για υψηλότερες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας από αυτές που επικρατούν στο κρίσιμο σημείο του υδρογόνου, η αλλαγή φάσης στο εσωτερικό της μάζας του δεν μπορεί να γίνει πλέον διακριτή, οπότε μιλάμε για την περιοχή του όπου αυτό υπάρχει σαν «καθαρό ρευστό» (υγρό ή αέριο, ανάλογα με τις τιμές της πίεσης και της θερμοκρασίας που επικρατούν στη μάζα του). Με το κρίσιμο σημείο ολοκληρώνεται η εξέταση του διαγράμματος πίεσης, θερμοκρασίας και μεταβολής των φάσεων του υδρογόνου. Στην συνέχεια θα ακολουθήσουν τέσσερις πίνακες με τα σημαντικότερα μεγέθη που χαρακτηρίζουν την θερμοφυσική συμπεριφορά του υδρογόνου, ξεκινώντας από τις τιμές τους για κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (Κ.Σ.Π.Θ.: P= kpa ή 14.7 psi και Τ = K ή F) και συνεχίζοντας ισόογκα, μειώνοντας διαδοχικά τις τιμές της πίεσης και της θερμοκρασίας, μέχρι το τριπλό σημείο του υδρογόνου, δηλαδή μέχρι το σημείο στο οποίο υφίσταται σαν τριφασικό διάλυμα (αέριο, υγρό και στερεό). Στους παρακάτω πίνακες, οι μονάδες των μεγεθών είναι υπολογισμένες σε δύο συστήματα μέτρησης: στο Διεθνές Συστήματα Μονάδων (Psi International, S.I.) και στο Αγγλοσαξονικό Σύστημα Μονάδων. Τα στοιχεία των πινάκων προέρχονται από τους Κανονισμούς Ασφαλείας για το υδρογόνο και τα συστήματα του υδρογόνου που πιστοποιήθηκαν από τη NASA για το έτος 2005 [11]: 23

24 ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΘΙ (Θερμοκρασία ΞΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ kpa ή K ή F και Πίεση psia) Ιδιότητες Ευρωπαϊκές μονάδες μέτρησης Αγγλοσαξονικές μονάδες μέτρησης Πυκνότητα αέριου H 2, ρ σε Κ.Σ.Π.Θ g/m lbm/ft3 Πυκνότητα αέρα σε Κ.Σ.Π.Θ. (προς 1,198 g/m lbm/ft3 σύγκριση) Ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση, kj/kgk Btu/lbm R C p Συντελεστής ενεργότητας, Υ = Cp/Cv Ενθαλπία, H kj/kg Btu/lbm Εσωτερική ενέργεια, U kj/kg Btu/lbm Εντροπία, S kj/kgk Btu/lbm R Ταχύτητα του ήχου, ω (αδιαβατικά) 1294 m/s 4246 ft/s Ιξώδες, η 8.81 μpa s centipoise Θερμική αγωγιμότητα, k mw/mk Btu/fth R Βαθμός διαμοριακού δυναμικού, ε Παράγοντας συμπιεστότητας, Z Συντελεστής διάθλασης, IR Πίνακας 2.1 ΚΡΙΣΙΜΟ ΣΗΜΕΙΟ Ιδιότητες Ευρωπαϊκές μονάδες μέτρησης Αγγλοσαξονικές μονάδες μέτρησης Θερμοκρασία, Τ K F Πίεση, P 1,292.8 kpa psia Πυκνότητα, ρ kg/m lbm/ft3 Ειδική θερμότητα κορεσμού,c Πολύ μεγάλη Ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση, C p Συντελεστής ενεργότητας, γ = Cp/Cv Πολύ μεγάλη Μεγάλη Ενθαλπία, H kj/kg Btu/lbm Εσωτερική ενέργεια, U 2.83 kj/kg 1.22 Btu/lbm Εντροπία, S 17.6 kj/kgk 4.20 Btu/lbm R Ταχύτητα του ήχου, ω (αδιαβατικά) 350 m/s 1148 ft/s Ιξώδες, η 3.5 μpa s centipoise Θερμική αγωγιμότητα, k Σχεδόν άπειρη Βαθμός διαμοριακού δυναμικού, ε Παράγοντας συμπιεστότητας, Z Πίνακας

25 2.6) Γενικές μέθοδοι παρασκευής του υδρογόνου Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από μία ποικιλία ευρέως διαθέσιμων πρώτων υλών συμπεριλαμβανομένων των διάφορων ορυκτών καυσίμων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, με χρήση διαφορετικών τεχνολογιών ανά περίπτωση [6]: Ορυκτά καύσιμα (αναμόρφωση του φυσικού αερίου, αεριοποίηση άνθρακα), Ανανεώσιμη και πυρηνική ενέργεια (διεργασίες αξιοποίησης της βιομάζας, φωτοηλεκτρόλυση, βιολογική παραγωγή, διάσπαση του νερού σε υψηλή θερμοκρασία), Ηλεκτρική ενέργεια (ηλεκτρόλυση του νερού μέσω της οποίας το νερό διαχωρίζεται στα μεμονωμένα στοιχεία του υδρογόνου και οξυγόνου) [12]. Κάθε μία από τις παραπάνω τεχνολογίες βρίσκεται σε ένα διαφορετικό στάδιο ανάπτυξης και κάθε μία διακρίνεται από τις διαφορετικές τεχνικοοικονομικές προκλήσεις. Η διαθεσιμότητα των πρώτων υλών, η ωριμότητα της τεχνολογίας, οι εφαρμογές και η ζήτησης της αγοράς, ο τρόπος διαχείρισης και το κόστος δύναται να επηρεάσουν την απόφαση για την βέλτιστη επιλογή τεχνολογίας για παραγωγή υδρογόνου. Στην εικόνα 2.3 παρουσιάζονται τα διάφορα μονοπάτια της παραγωγής υδρογόνου από μη ανανεώσιμες, αλλά και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας [13]. Εικόνα 2.3: Παραγωγή υδρογόνου από μη ανανεώσιμες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας [13] Προφανώς, έμφαση δίνεται στους τρόπους παραγωγής υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές (όπως βιομάζα, ηλιακή, αιολική, γεωθερμική, υδροηλεκτρική, κλπ.), καθώς είναι ανεξάντλητες και φιλικές προς το περιβάλλον [13]. Οι τρόποι παραγωγής υδρογόνου, που φαίνεται ότι είναι οι περισσότερο αποδοτικοί, αναλύονται παρακάτω [6]: Υδρογόνο από ορυκτά καύσιμα Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από τα περισσότερα ορυκτά καύσιμα (π.χ. κάρβουνο, φυσικό αέριο, πετρέλαιο, κ.λπ.). Η πολυπλοκότητα των διεργασιών ποικίλλει. Δεδομένου ότι το διοξείδιο του άνθρακα παράγεται ως παραπροϊόν, το CO 2 πρέπει να συλλέγεται και να αποθηκεύεται προκειμένου να εξασφαλιστεί μια βιώσιμη (με μηδενικές εκπομπές) διεργασία. Η βιωσιμότητα της διεργασίας θα διαφέρει ανάλογα με το μέγεθος της κλίμακας, δηλαδή σε κεντρικές ή κατανεμημένες εγκαταστάσεις παραγωγής υδρογόνου. 25

26 Παραγωγή από το φυσικό αέριο/υδρογονάνθρακες: Έναντι των υπολοίπων ορυκτών καυσίμων, το φυσικό αέριο αποτελεί μία ιδανική, από οικονομική άποψη, πρώτη ύλη για την παραγωγή υδρογόνου, επειδή είναι ευρέως διαθέσιμο, είναι εύκολο να διαχειριστεί και έχει υψηλή αναλογία υδρογόνου-άνθρακα, η οποία ελαχιστοποιεί το σχηματισμό CO 2 ως παραπροϊόν. Το υδρογόνο σήμερα μπορεί να παραχθεί από το φυσικό αέριο χρησιμοποιώντας τις παρακάτω διεργασίες: Αναμόρφωση με ατμό (αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό, SMR) 26 Μερική οξείδωση (CPO) Αυτόθερμη αναμόρφωση (ATR) Η αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό είναι η συνηθέστερα χρησιμοποιημένη και λιγότερο δαπανηρή μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου και περιλαμβάνει την ενδόθερμη αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό προς παραγωγή αερίου σύνθεσης (μίγμα υδρογόνου και μονοξειδίου άνθρακα). Η διεργασία της μερικής οξείδωσης χρησιμοποιείται στα διυλιστήρια για τη μετατροπή των υδρογονανθρακικών παραπροϊόντων σε υδρογόνο, CO, CO 2 και νερό [14]. Η αυτόθερμη μετατροπή του μεθανίου σε H 2 πραγματοποιείται στους 850 οc, όπου συνδυάζονται οι διεργασίες της μερικής οξείδωσης και της καταλυτικής αναμόρφωσης [15]. Παραγωγή από άνθρακα: Ο άνθρακας μπορεί επίσης να αναμορφωθεί για να παραχθεί υδρογόνο, μέσω ποικίλων διεργασιών αεριοποίησης (π.χ. σταθερής κλίνης, ρευστοστερεάς κλίνης κ.α.), [16]. Η συγκεκριμένη διεργασία εφαρμόζεται εμπορικά αλλά μπορεί να θεωρηθεί ανταγωνιστικότερη της αναμόρφωσης του μεθανίου μόνο σε περιπτώσεις όπου το φυσικό αέριο είναι ακριβό. Η αεριοποίηση του άνθρακα είναι μια διεργασία που μετατρέπει το στερεό άνθρακα σε ένα αέριο μίγμα που αποτελείται κυρίως από Η 2, CO, CO 2 και CH 4. Ο άνθρακας μπορεί να αεριοποιηθεί με πολλούς τρόπους διαφοροποιώντας το μίγμα άνθρακα, οξυγόνου και ατμού μέσα στον αεριοποιητή [16]. Δεδομένου ότι αυτή η αντίδραση είναι ενδόθερμη, απαιτείται επιπλέον θερμότητα, όπως και με την αναμόρφωση του μεθανίου. Υδρογόνο από την διάσπαση του νερού Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από την διάσπαση του νερού μέσω διάφορων διεργασιών που εκτείνονται από την ηλεκτρόλυση του νερού, φωτο/ηλιακή-ηλεκτρόλυση, φωτο-βιολογική παραγωγή έως την διάσπαση του νερού σε υψηλή θερμοκρασία. Ηλεκτρόλυση του νερού: Μια ελπιδοφόρος και ιστορική μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου είναι η ηλεκτρόλυση του νερού, μια ηλεκτροχημική διεργασία, η οποία περιλαμβάνει τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για τον διαχωρισμό του νερού στα συστατικά του, π.χ. σε υδρογόνο και οξυγόνο. Σήμερα, περίπου 4% της παγκόσμιας παραγωγής υδρογόνου παράγεται από την ηλεκτρόλυση του νερού [17]. Αυτή η διεργασία είναι ήδη οικονομικά αποδοτική για την παραγωγή υπερκαθαρού υδρογόνου σε μικρές ποσότητες, εντούτοις, εξακολουθεί να παραμένει ακριβή για εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας, λόγω κυρίως της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μέθοδοι ηλεκτρόλυσης του νερού παρουσιάζονται παρακάτω: Αλκαλική ηλεκτρόλυση Ηλεκτρόλυση σε πολυμερικής μεμβράνης ηλεκτρολύτες (PEM) Ηλεκτρόλυση σε υψηλές θερμοκρασίες Άλλες μέθοδοι διάσπασης του νερού: Υπάρχουν επίσης και ορισμένες άλλες επιλογές για παραγωγή υδρογόνου μέσω της διάσπασης του νερού, εντούτοις, οι τεχνικές αυτές απαιτούν περαιτέρω έρευνα & ανάπτυξη προκειμένου να εφαρμοστούν σε μεγάλα ή μικρής κλίμακας συστήματα παραγωγής υδρογόνου. Αυτές οι μέθοδοι διάσπασης του νερού συγκαταλέγονται στις: Φωτο-ηλεκτρόλυση (φωτόλυση) Φωτο-Βιολογική παραγωγή Θερμοχημική διάσπαση του νερού Υδρογόνο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ)

27 Περίπου το 95% του Η 2 που χρησιμοποιείται σήμερα προέρχεται από αναμόρφωση φυσικού αερίου. Το υπόλοιπο Η 2 προέρχεται από ηλεκτρόλυση του νερού, κυρίως από ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται με την καύση ορυκτών καυσίμων. Για να γίνουν ορατά τα πλεονεκτήματα από μια οικονομία υδρογόνου (σταθερότητα, μειωμένη ατμοσφαιρική ρύπανση και εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, ενεργειακή ασφάλεια) το Η 2 πρέπει να παράγεται καθαρά, αποτελεσματικά, και οικονομικά αποδεκτά από τις υπάρχουσες τεχνολογίες ΑΠΕ. Στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 2.4) παρουσιάζονται τα μονοπάτια για την παραγωγή υδρογόνου από ΑΠΕ: Εικόνα 2.4: Δρόμοι προς το Η 2 από ΑΠΕ [18]. Η παραγωγή υδρογόνου από ΑΠΕ θεωρείται η περισσότερο ελπιδοφόρα μέθοδος, τουλάχιστον σε ότι αφορά την ρύπανση του περιβάλλοντος και την μη εξαντλησιμότητα των πηγών. Η παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πήγες περιλαμβάνει τις παρακάτω μεθόδους [19]. 27 Παραγωγή υδρογόνου από αιολική ενέργεια μέσω ηλεκτρόλυσης Βιολογική παραγωγή υδρογόνου από βιομάζα (παραγωγή υδρογόνου από την μετατροπή διαλύματος γλυκόζης με την ενέργεια του φωτός) Στο παρόν κεφάλαιο, έμφαση θα δοθεί στους τρόπους παραγωγής υδρογόνου από ηλεκτρόλυση, καθώς αποτελεί σημαντικό μέρος της παρούσας εργασίας. 2.7) Ηλεκτρολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου 2.7.1) Παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού Υπάρχει μία και μοναδική μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης και αυτή είναι από το νερό. Ως γνωστόν, το νερό κατά τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης διασπάται στα δύο στοιχεία που το αποτελούν, δηλαδή το υδρογόνο και το οξυγόνο. Η ηλεκτρόλυση του νερού, προς παραγωγή υδρογόνου, πραγματοποιείται μέσα σε ειδικές διατάξεις που ονομάζονται διατάξεις ηλεκτρόλυσης και απαιτεί την ταυτόχρονη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Το βασικό πλεονέκτημα που προκύπτει κατά την ηλεκτρόλυση του νερού προς παραγωγή υδρογόνου, είναι ότι το υδρογόνο που παράγεται χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα υψηλές τιμές «καθαρότητας» και επομένως δύναται να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου, χωρίς περαιτέρω επεξεργασία. Η ηλεκτρόλυση του νερού, για την παραγωγή υδρογόνου, μέσω της χρησιμοποίησης του ηλεκτρικού ρεύματος που προέρχονταν από το κλασσικό δίκτυο ηλεκτρισμού, σαν μέθοδος, βρήκε ευρεία απήχηση από

28 τις αρχές του 1900 μέχρι και τη δεκαετία του 1950 περίπου. Μετά τη δεκαετία του '50 όμως, λόγω των διαφόρων φθηνότερων μεθόδων που ανακαλύφθηκαν για την παραγωγή του υδρογόνου (κυρίως της καταλυτική αναμόρφωση φυσικού αερίου), η ηλεκτρόλυση του νερού εγκαταλείφθηκε στο μεγαλύτερο μέρος της, με αποτέλεσμα στις μέρες μας, μόνο ένα σχετικά μικρό ποσοστό της συνολικής ποσότητας του παραγόμενου υδρογόνου σε παγκόσμια κλίμακα να παράγεται πλέον με αυτόν τον τρόπο. Η εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης του νερού προς παραγωγή του υδρογόνου εφαρμόζεται σήμερα κυρίως όταν υπάρχουν αυξημένες απαιτήσεις σε «καθαρό» υδρογόνο και οι ποσότητες αυτού που απαιτούνται δεν είναι πολύ μεγάλες. Από την άλλη μεριά, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται σταδιακά μια σταδιακή αύξηση του παγκόσμιου ενδιαφέροντος για την παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, κυρίως εξαιτίας της σύγχρονης δυνατότητας κατασκευής ολοκληρωμένων συστημάτων από ηλεκτρολυτικές διατάξεις νερού, οι οποίες λειτουργούν μέσω της παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος με τη βοήθεια διαφόρων ΑΠΕ (κυρίως της ηλιακής και αιολικής ενέργειας). Τα ολοκληρωμένα αυτά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσω διαφόρων ΑΠΕ παρουσιάζουν το σημαντικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα παραδοσιακά ηλεκτρολυτικά συστήματα, ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν παράγεται χωρίς κάποιο σημαντικό κόστος, μιας και βασίζεται όπως είπαμε στην παραγωγή της από διάφορες ΑΠΕ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, η εφαρμογή τους για την μαζική παραγωγή του υδρογόνου να γίνεται πολύ φθηνότερα από την κλασσική μέθοδο παραγωγής του υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης (παραγωγή με χρησιμοποίηση της συμβατικής ηλεκτρικής ενέργειας του δικτύου) και να εφαρμόζεται σταδιακά όλο και περισσότερο. Από την άλλη μεριά βέβαια, το κόστος κυρίως των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτών των ολοκληρωμένων ηλεκτρολυτικών συστημάτων παραγωγής υδρογόνου μέσω ΑΠΕ, είναι προς το παρόν ακόμα αρκετά υψηλό ώστε η παραγωγή αυτού μέσω των συγκεκριμένων διατάξεων να μπορεί να υποσκελίσει τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής του μέσω π.χ. των ορυκτών καυσίμων, με αποτέλεσμα η παραγωγή υδρογόνου μέσω ολοκληρωμένων ηλεκτρολυτικών διατάξεων να μην χρησιμοποιείται τόσο μαζικά όσο αυτές. Μία χαρακτηριστική ηλεκτρολυτική διάταξη παραγωγής υδρογόνου που χρησιμοποιείται σήμερα για την παραγωγή του σε εργαστηριακή κλίμακα, είναι αυτή που φαίνεται στη παρακάτω εικόνα 2.5. Στη διπλανή εικόνα 2.5.1, φαίνεται επίσης και η διαδικασία της εσωτερικής λειτουργίας, κατά την παραγωγή του υδρογόνου μέσω αυτής: Εικόνα 2.5:Εργαστηριακή συσκευή Εικόνα 2.5.1: Αναπαράσταση εσωτερικής ηλεκτρόλυσης [19]. λειτουργίας συσκευής ηλεκτρόλυσης [19]. 28

29 Κατά την ηλεκτρόλυσή του νερού, μέσα σε μία ηλεκτρολυτική διάταξη, προς παραγωγή υδρογόνου, αυτό οξειδώνεται αρχικά στην άνοδο της διάταξης σε μοριακό οξυγόνο και σε θετικά ιόντα υδρογόνου (ή πρωτόνια υδρογόνου, H + ). Στη συνέχεια, τα πρωτόνια υδρογόνου που έχουν προκύψει, διέρχονται διαμέσου του νερού, που βρίσκεται μέσα στην ηλεκτρολυτική διάταξη, προς την κάθοδο αυτής και εκεί ανάγονται σε μοριακό υδρογόνο. Οι συγκεκριμένες διεργασίες παριστάνονται με αντιδράσεις ως εξής: 2H 2 O (liq) O 2 + 4H + (aq) + 4e - (άνοδος) (2.4) και 4H + (aq) + 4e - 2H 2(g) (κάθοδος) (2.5) Οπότε η συνολική αντίδραση ηλεκτρόλυσης του νερού έχει ως εξής: 2Η 2 Ο (liq) O 2(g) + 2H 2(g) (2.6) Το οξυγόνο που παράγεται κατά τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης του νερού από ηλεκτρολυτικές διατάξεις, μπορεί και αυτό, όπως και το υδρογόνο, να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω σε διάφορες εφαρμογές, οι οποίες όμως είναι κυρίως βιομηχανικού τύπου. Αποδεικνύεται θεωρητικά, ότι η παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, απαιτεί ηλεκτρική τάση η οποία ισούται με 1,23 V [19]. Στην πράξη όμως, η ηλεκτρική τάση που συνήθως εφαρμόζεται γι' αυτόν το σκοπό είναι κατά τι μεγαλύτερη (μεταξύ 1,55 V και 1,65 V). Η αυξημένη αυτή τιμή της, οφείλεται κυρίως στις διάφορες απώλειες που υφίσταται το ηλεκτρικό ρεύμα (απώλειες θερμότητας και ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) όταν διοχετεύεται μέσα στις ηλεκτρολυτικές διατάξεις. Η απόδοση παραγωγής υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, ορίζεται από τον λόγο της τάσης των 1,23 V η οποία απαιτείται θεωρητικά για την παραγωγή του, προς την ηλεκτρική τάση την οποία εφαρμόζουμε κάθε φορά στη πράξη γι' αυτό. Για παράδειγμα, με πρακτικά εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση ίση με 1,60 V, θα έχουμε απόδοση παραγωγής υδρογόνου: = 0.77 = 77% Παρατηρούμε, ότι από ενεργειακής τουλάχιστον σκοπιάς, η παραγωγή του υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού παρουσιάζει σημαντικό πλεονέκτημα έναντι της παραγωγής του από τα διάφορα ορυκτά καύσιμα (των οποίων η απόδοση παραγωγής δεν υπερβαίνει συνήθως το 60%). 2.8) Φωτολυτικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου Η τρίτη και τελευταία γενική κατηγορία μεθόδων παραγωγής του υδρογόνου, βασίζεται στην παραγωγή αυτού μέσω της διαδικασίας της φωτόλυσης. Ο ένας τρόπος για να το πετύχουμε αυτό, είναι να χρησιμοποιήσουμε την ιδιότητα που εμφανίζουν ορισμένοι μικροοργανισμοί (κυρίως άλγη και κυανοβακτήρια), να παράγουν αυτούσια υδρογόνο μέσω του φυσικού φωτοσυνθετικού τους κύκλου (που αποτελεί μέρος του αναερόβιου μηχανισμού παραγωγής της ενέργειάς τους) [20]. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία ονομάζεται και φωτοβιολογική παραγωγή του υδρογόνου. Μέσω κατάλληλης εκμετάλλευσης της ποσότητας του υδρογόνου που παράγεται από τη μεθοδολογία αυτή, μπορούμε να παράγουμε υδρογόνο με αποδοτικότητα παραγωγής που προσεγγίζει το 25% [21]. Η φωτοβιολογική μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου παρουσιάζει ωστόσο και ένα σημαντικό μειονέκτημα το οποίο συνίσταται στο γεγονός, ότι παράλληλα με το υδρογόνο, οι μικροοργανισμοί που χρησιμοποιούνται κατά τη φωτοσύνθεσή τους παράγουν και ορισμένες ποσότητες από οξυγόνο, το οποίο σε μεγάλες ποσότητες, δρα καταστρεπτικά πάνω στους υπόλοιπους 29

30 αναερόβιους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που υπάρχουν πάνω στη Γη. Πάντως, για μικρής και μεσαίας κλίμακας παραγωγή του υδρογόνου, η φωτοβιολογική παραγωγή μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς κανένα πρόβλημα ) Φωτοηλεκτρόλυση Ο δεύτερος τρόπος παραγωγής υδρογόνου μέσω φωτόλυσης, επιτυγχάνεται μέσω της διαδικασίας της υδρόλυσης του νερού (ο όρος υδρόλυση χρησιμοποιείται για να περιγράψει την διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού από ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα). Η συγκεκριμένη διαδικασία ονομάζεται και φωτοηλεκτρόλυση του νερού. Κατά τη διαδικασία αυτή, ολοκληρωμένα συστήματα πολυάριθμων ηλιακών συλλεκτών συνδεδεμένων σε σειρά, εκμεταλλεύονται τις ακτίνες του ηλίου και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, την οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούν για να υδρολύσουν το νερό και να παράγουν υδρογόνο. Τα ολοκληρωμένα συστήματα ηλιακών συλλεκτών που χρησιμοποιούνται γι' αυτό το σκοπό, παρουσιάζουν αρκετά ικανοποιητική απόδοση, η οποία θεωρητικά προσεγγίζει και το 40%. Στην πράξη όμως, η απόδοση αυτή δεν υπερβαίνει συνήθως το 20% με 25% [20]. Από οικονομικής πλευράς, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα διάφορα ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα παραγωγής υδρογόνου, είναι ακόμη σχετικά ακριβά. Πάντως τελευταία, έχουν ευοδωθεί κάποιες προσπάθειες να κατασκευαστούν νέα πιο οικονομικά υλικά, αλλά αυτά παρουσίασαν παράλληλα και αρκετά μειωμένες αποδόσεις σε παραγωγή υδρογόνου, οι οποίες δεν υπερέβησαν το 5% με 10% περίπου. Η χρησιμοποίηση όμως των συγκεκριμένων υλικών σε ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα παραγωγής υδρογόνου τελικά συμφέρει ενεργειακά για μαζική παραγωγή του υδρογόνου, αν αναλογιστεί κανείς το γεγονός ότι η πηγή της ηλεκτρικής τους ενέργειας, δηλαδή ο ήλιος, είναι μια άφθονη και ανεξάντλητη πρωτογενής μορφή ενέργειας κατάλληλη προς συνεχή και αδιάκοπη χρήση. Μια σημαντική κατηγορία ολοκληρωμένων ηλιακών συστημάτων που αναπτύχθηκε τα τελευταία σχετικά χρόνια και η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου μέσω της υδρόλυσης του νερού, αποτελεί η κατηγορία των λεγομένων φωτοηλεκτροχημικών στοιχείων ή στοιχείων Gratzel (photoelectrochemical cells - PEC cells ή Gratzel cells). Τα φωτοηλεκτροχημικά στοιχεία αποτελούν ολοκληρωμένες ηλιακές διατάξεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που συγκροτούνται από πολυάριθμους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να αξιοποιούν τις προσπίπτουσες πάνω στις επιφάνειές τους ηλιακές ακτίνες και να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Οι επίπεδες επιφάνειες των ηλιακών τους συλλεκτών περιέχουν στο εσωτερικό τους ένα υψηλά πορώδες λεπτό υμένιο από TiO 2 (συνήθως), το οποίο είναι νανοδομημένο με διαστάσεις κόκκων που δεν υπερβαίνουν τα 2 20 nm περίπου. Το πολύ πορώδες αυτό λεπτό υμένιο, βρίσκεται σε επαφή με την ποσότητα νερού μιας ηλεκτρολυτικής διάταξης, που επίσης περιέχεται στο εσωτερικό των φωτοηλεκτροχημικών στοιχείων και από το οποίο παράγεται το επιθυμητό υδρογόνο μέσω της υδρόλυσής του από την ηλιακή ενέργεια που έχει απορροφήσει το φωτοηλεκτροχημικό στοιχείο και η οποία έχει μετατραπεί πρώτα σε ηλεκτρική. Η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του ηλιακού φωτός που προσπίπτει πάνω στις επίπεδες επιφάνειες των φωτοηλεκτροχημικών στοιχείων έχει ως εξής: Αρχικά, το ηλιακό φως προσπίπτει πάνω στην εξωτερική επιφάνεια του λεπτού υμενίου τους, όπου εκεί απορροφάται προς στο εσωτερικό αυτού με τη βοήθεια από μια ειδική σκούρα βαφή που βρίσκεται επικαλυμμένη στην εξωτερική του επιφάνεια και η οποία μεγιστοποιεί την απορρόφηση του προσπιπτόμενου πάνω σ' αυτό ηλιακού φωτός. Αφού το ηλιακό φως διαπεράσει τη βαφή του λεπτού υμενίου και εισέλθει στο εσωτερικό αυτού, λόγω της ηλεκτρικής διέγερσης που προκαλεί εκεί στα ηλεκτρόνια του υλικού του λεπτού υμενίου (TiO 2 ), δημιουργεί πολυάριθμα ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών (δηλαδή ζεύγη που αποτελούνται από θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια). Στη συνέχεια, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που σχηματίζονται στο εσωτερικό του λεπτού υμενίου, μεταπηδούν στη «ζώνη» αγωγιμότητας ενός λεπτού μεταλλικού στρώματος που 30

31 βρίσκεται σε επαφή με την εσωτερική επιφάνεια του λεπτού υμενίου και από τη «ζώνη» αυτή μέσω ενός στρώματος ηλεκτρολύτη στην άνοδο της ηλεκτρολυτικής διάταξης που βρίσκεται στο εσωτερικό του όλου συστήματος του φωτοηλεκτροχημικού στοιχείου. Η άνοδος της ηλεκτρολυτικής διάταξης του συστήματος του φωτοηλεκτροχημικού στοιχείου βρίσκεται προφανώς συνδεδεμένη με την κάθοδό της, μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος, οπότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια, κινούμενα προς την κάθοδό της, δημιουργούν το επιθυμητό ηλεκτρικό ρεύμα. Η τάση του ηλεκτρικού αυτού ρεύματος που παράγεται, χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την ηλεκτρόλυση της ποσότητας του νερού που βρίσκεται μέσα στην ηλεκτρολυτική διάταξη και έτσι παράγεται τελικά το υδρογόνο. Θα πρέπει να σημειωθεί, ότι το TiO 2 από το οποίο κατασκευάζεται συνήθως το λεπτό υμένιο κάθε φωτοηλεκτροχημικού στοιχείου, σαν υλικό, έχει από μόνο του τη δυνατότητα να δημιουργήσει ελεύθερα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του, όταν στο εσωτερικό του εισέλθει ηλιακό φως. Η ειδική όμως σκούρα βαφή με την οποία επικαλύπτεται συνήθως εξωτερικά, συντελεί στη μεγαλύτερη διεύρυνση του ηλιακού φάσματος που προσπίπτει σ' αυτό, με αποτέλεσμα να αυξάνεται αρκετά η απορρόφηση αυτού και να μεγιστοποιείται η παραγόμενη, από το φωτοηλεκτροχημικό του σύστημα, ηλεκτρική ενέργεια. Μία άλλη τεχνική που χρησιμοποιείται, εναλλακτικά έναντι της βαφής, για την μεγιστοποίηση της απορρόφησης του ηλιακού φωτός στα λεπτά υμένια των φωτοηλεκτροχημικών στοιχείων, είναι η προσθήκη μικρών ποσοτήτων από άνθρακα στο υλικό κατασκευής τους (στο TiO 2 ) [20]. Στο παρακάτω σχήμα 2.6, απεικονίζει η εσωτερική δομή ενός τυπικού φωτοηλεκτροχημικού στοιχείου, καθώς και οι βασικότερες διαδικασίες που συντελούνται εκεί για την παραγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος: Σχήμα 2.6: Αναπαράσταση λειτουργίας φωτοηλεκτροχημικού στοιχείου [22]. Γενικά, ένα φωτοηλεκτροχημικό στοιχείο κατασκευάζεται από σχετικά φτηνά υλικά. 2.9) Το υδρογόνο ως ενεργειακό καύσιμο - Οικονομία του υδρογόνου Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, το υδρογόνο έχει μία σημαντική ιδιότητα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ωφέλιμο τρόπο: Μπορεί να αποτελέσει πρώτη ύλη, δηλαδή «καύσιμο», για την παραγωγή ενέργειας. Όπως έχει αποδείξει η ιστορία, ο άνθρωπος κατά την διάρκεια της εξέλιξής του, έχει χρησιμοποιήσει διάφορες πηγές ενέργειας οι οποίες περιείχαν αφενός σαν βασικό συστατικό τους τον άνθρακα, αλλά αφετέρου σε ολοένα και μικρότερες 31

32 περιεκτικότητες στο εσωτερικό τους. Από τον ξυλάνθρακα (ξύλο) για παράδειγμα που αποτέλεσε την κύρια πηγή ενέργειας της ανθρωπότητας στην Αρχαιότητα, στον γαιάνθρακα κατά την διάρκεια της Βιομηχανικής Επανάστασης και στο πετρέλαιο κατά την Σύγχρονη Εποχή, ο άνθρωπος χρησιμοποίησε τον άνθρακα σαν βασικό μέσο παραγωγής της αναγκαίας του ενέργειας, με τη μορφή των διαφόρων φυσικών πηγών του που του ήταν κάθε φορά περισσότερο εύκολα προσβάσιμες σ' αυτόν. Επιπλέον, η εξέλιξη και ανάπτυξη των τεχνολογικών του εφευρέσεων, τον οδήγησαν να αναζητεί συνεχώς νέες πηγές άνθρακα, οι οποίες, όπως είπαμε, περιείχαν όλο και λιγότερο αυτόν σαν βασικό συστατικό στη μάζα τους. Ποτέ όμως, οποιοδήποτε καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε από τον άνθρωπο για την μαζική παραγωγή ενέργειας του δεν περιείχε στη μάζα του μηδενικές ποσότητες από άνθρακα και αυτό συνεχίζεται έως τις μέρες μας με τη μαζική χρησιμοποίηση των διαφόρων ορυκτών καυσίμων (π.χ. πετρέλαιο, φυσικό αέριο, γαιάνθρακας) από τον σύγχρονο πολιτισμό για την παραγωγή ενέργειας. Το υδρογόνο, απ' αυτή τη σκοπιά, αποτελεί πράγματι μια τομή για την ιστορική εξέλιξη της ενεργειακής παραγωγής από τον ανθρώπου, μιας και είναι ουσιαστικά το πρώτο καύσιμο που δεν βασίζεται καθόλου στον άνθρακα [23]. Στο παρακάτω σχήμα 2.7, απεικονίζεται ποσοτικά η διαφορετική σύσταση σε περιεκτικότητα σε άνθρακα, των κυριότερων ορυκτών καυσίμων που έχουν χρησιμοποιηθεί ιστορικά από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα από τον άνθρωπο, καθώς επίσης και η διαφοροποίηση του υδρογόνου έναντι αυτών, σαν πιθανό μελλοντικό καύσιμο μαζικής παραγωγής ενέργειας: 32 Σχήμα 2.7: Περιεκτικότητες καυσίμων σε άνθρακα και υδρογόνο [23]. Εκτός από την μηδενική του περιεκτικότητα σε άνθρακα, ένα εξίσου σημαντικό χαρακτηριστικό που παρουσιάζει το υδρογόνο σαν καύσιμο, είναι ότι μπορεί να προσφέρει πολύ μεγαλύτερα ποσά ενέργειας από τα αντίστοιχα ποσά των διαφόρων ορυκτών καυσίμων, τα οποία είναι ικανά να τροφοδοτήσουν τις περισσότερες από τις καθημερινές ανάγκες του ανθρώπου, ξεκινώντας από την ηλεκτροδότηση των σπιτιών και των πόλεών του, την κίνηση των μεταφορικών του μέσων και την ικανοποίηση των μικρότερων καθημερινών του αναγκών (π.χ. οικιακές εργασίες, θέρμανση χώρων κ.τ.λ.) [24]. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ηλεκτρομηχανολογικής / χημικής διάταξης παραγωγής ενέργειας από το υδρογόνο, αποτελούν οι λεγόμενες κυψέλες καυσίμου του (fuel cells), οι οποίες χρησιμοποιούν την αντίδραση σύντηξής του με το «καθαρό» οξυγόνο (ή με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα) και μέσω ηλεκτρόλυσης παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ή θερμότητα. Μια δεύτερη κατηγορία, θερμοχημικών κυρίως, διατάξεων παραγωγής ενέργειας από το υδρογόνο, αποτελούν οι μηχανές εσωτερικής καύσης αυτού (ΜΕΚ υδρογόνου), οι οποίες, όσον αφορά την κατασκευή τους, δεν παρουσιάζουν κάποια ιδιαίτερη διαφοροποίηση από τις συμβατικές μηχανές εσωτερικής καύσης των ορυκτών καυσίμων. Όπως και στις κυψέλες καυσίμου, στις ΜΕΚ υδρογόνου η πρωταρχική μορφή ενέργειας που παράγεται από αυτές είναι είτε ο ηλεκτρισμός είτε η θερμότητα, οι οποίες στη συνέχεια μετατρέπονται σε άλλες δευτερεύουσες μορφές ενέργειας ανάλογα με τις ανάγκες του χρήστη. Το υδρογόνο

33 μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας στο μέλλον, μιας και οι δυνατότητες που υπάρχουν από αυτό για την μαζική παραγωγή ενέργειας είναι πολύ μεγάλες και μάλιστα μέσου ανανεώσιμου τρόπου. Η χρήση του υδρογόνου σαν ενεργειακό μέσο μπορεί να συνδυαστεί με την εφαρμογή των περισσοτέρων από τις υπόλοιπες ΑΠΕ (π.χ. ηλιακή και αιολική ενέργεια, υδροηλεκτρισμός κ.λπ.), μέσω των οποίων μπορεί να εξασφαλιστεί η επαρκής ποσότητα παραγωγής του, η οποία επιτυγχάνεται κατά βάση μέσω της παραγωγής του από το νερό (ηλεκτρόλυση), του οποίου και αποτελεί βασικό συστατικό. Ο τρόπος αυτός παραγωγής του υδρογόνου παρουσιάζει ιδιαίτερα ευοίωνες προοπτικές για το μέλλον, μιας και ως γνωστόν, το νερό αποτελεί το πλουσιότερο στοιχείο του πλανήτη μας και υπάρχει άφθονο στα περισσότερα μέρη της γης (είτε σαν συστατικό των ποταμών και των λιμνών, είτε πολύ περισσότερο σαν συστατικό των ωκεανών). Προς το παρόν πάντως, η κύρια μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου πραγματοποιείται μέσω της θερμοχημικής επεξεργασίας του φυσικού αερίου, μιας και αποτελεί τον οικονομικότερο τρόπο γι' αυτό[20]. Το υδρογόνο, εκτός από υλικό παραγωγής ενέργειας, αποτελεί και ιδανική ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (ΑΠΕ), μιας και η ένωσή του στη πράξη με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο με σκοπό την παραγωγή ενέργειας, είτε μέσω της ηλεκτρόλυσης είτε μέσω της καύσης του, δημιουργεί ως κύρια υποπαράγωγα της το νερό και τη θερμότητα και δευτερευόντως ορισμένα άλλα αέρια (κυρίως οξείδια του αζώτου), τα οποία όμως βρίσκονται σε πολύ μικρές ποσότητες ώστε να μην επηρεάζουν σημαντικά το περιβάλλον τους. Έτσι το υδρογόνο, μπορεί στο μέλλον να αποτελέσει την κύρια εναλλακτική λύση για την μαζική παραγωγή ενέργειας έναντι των ορυκτών καυσίμων, μιας και αυτή βασίζεται σήμερα κυρίως στην χρησιμοποίηση αυτών (μέσω της καύσης τους). Η πιθανή όμως υιοθέτησή του υδρογόνου ως βασικού ενεργειακού μέσου στο μέλλον, προϋποθέτει και την ριζική μεταστροφή της παγκόσμιας ενεργειακής οικονομίας σε έναν καινούργιο και διαφορετικό τρόπο λειτουργίας της, ο οποίος θα βασίζεται κατά κύριο λόγο σ' αυτό και στις διάφορες τεχνολογίες του. Η νέα αυτή μορφή, χαρακτηρίζεται σήμερα από τους επιστήμονες που ασχολούνται με την τεχνολογία του σαν παγκόσμια «Οικονομία του υδρογόνου». Μεταξύ των άλλων, οι διάφοροι σχεδιασμοί που γίνονται σήμερα όσον αφορά την πιθανή υιοθέτηση της «Οικονομίας του υδρογόνου» στο μέλλον, αφορούν τη μετατόπιση του παρόντος ενεργειακού ενδιαφέροντος της ανθρωπότητας από τα διάφορα δίκτυα μεταφοράς του ηλεκτρισμού και των ορυκτών καυσίμων της, στα καινούργια δίκτυα μαζικής μεταφοράς υδρογόνου είτε σε υγρή είτε σε αέρια μορφή, μέσα από μεγάλους αγωγούς ή μεταφερόμενο πάνω σε δεξαμενές πλοίων (που ήδη υπάρχει). Το μελλοντικό δίκτυο διανομής του υδρογόνου που προβλέπεται να εφαρμοστεί στο μέλλον, παρουσιάζει ορισμένα θετικά σημεία έναντι του παρόντος δικτύου διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται σήμερα (δευτερευόντως έναντι του δικτύου διανομής του πετρελαίου και του φυσικού αερίου), τα οποία μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: Η διανομή του υδρογόνου (σε αέρια κυρίως μορφή), θεωρείται πολύ πιο αποδοτική από την διανομή του ηλεκτρισμού μέσω μετασχηματιστών και καλωδίων, ενώ το αέριο υδρογόνο μπορεί επίσης να αποθηκευτεί πιο εύκολα και πιο αποδοτικά από την ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν πάντως και ορισμένα μειονεκτήματα, όσον αφορά τη διανομή του υδρογόνου σε αέρια ή υγρή κατάσταση, τα οποία αφορούν κυρίως την δυσκολία κατά την αποθήκευση και διανομή του σε κλειστούς χώρους, λόγω της δυνατότητάς του για εύκολη ανάφλεξη σ' αυτούς. Ένα δεύτερο, μικρότερης σημασίας μειονέκτημα, αφορά το γεγονός, ότι το υδρογόνο σε συνήθεις συνθήκες περιβάλλοντος σαν αέριο είναι άχρωμο και άοσμο, με αποτέλεσμα να είναι εύκολη η διαφυγή του από τα δίκτυα μεταφοράς του προς το περιβάλλον, χωρίς αυτό να γίνει άμεσα αντιληπτό. Το συγκεκριμένο όμως μειονέκτημα μπορεί να λυθεί σχεδόν ουσιαστικά, χρησιμοποιώντας τον τεχνητό χρωματισμό του ή την προσδώση σ' αυτό τεχνητής οσμής, όπως εφαρμόζεται και κατά την διανομή του φυσικού αερίου. Θα πρέπει επίσης να τονίσουμε, ότι οι νέες τεχνικές μέθοδοι αποθήκευσης του υδρογόνου που έχουν αρχίσει να εξελίσσονται τα τελευταία χρόνια, κυρίως μέσω της αποθήκευση του μέσα σε στερεά υλικά (π.χ. μεταλλικά υδρίδια και στερεές ενώσεις του με τον άνθρακα) έχουν επίσης αρχίσει να επιφέρουν πολλές λύσεις στο εξίσου σημαντικό, σε 33

34 σχέση με την διανομή του, πρόβλημα της αποθήκευσής του, με αποτέλεσμα η νέα γενιά τεχνολογιών του στα επόμενα από τώρα χρόνια να μπορεί να βασίζεται σε ασφαλή και αποτελεσματική του αποθήκευση. Ο σχεδιασμός της μελλοντικής «οικονομίας του υδρογόνου», συνδυάζεται σήμερα κυρίως με την ιδέα της αποκεντρωμένης και τοπικής ενεργειακής μετατροπής του υδρογόνου (local hydrogen generation), η οποία μπορεί να ενταχθεί σε κάθε ενεργειακό σύστημα μιας οποιασδήποτε χώρας (ανεξάρτητα από την έκτασή της και τον πληθυσμό της). Κατά την ενεργειακή αυτή μετατροπή, η τοπικά παραγόμενη πλεονάζουσα ενέργεια υδρογόνου από διάφορες ΑΠΕ, π.χ. βιομάζα, Φ/Β κύτταρα, μικρούς υδροστρόβιλους, Α/Γ κ.ά. σε οικίες, αιολικά πάρκα, εγκαταστάσεις ΑΠΕ τοπικών αυτοδιοικήσεων κ.λπ., προβλέπεται ότι θα διοχετεύεται έναντι αμοιβής ή μέσω ανταλλαγής μέσα στο εθνικό δίκτυο της κάθε χώρας. Με τον τρόπο αυτό, θα αποφεύγονται οι διάφορες απώλειες ισχύος που υπάρχουν σήμερα στο εθνικό δίκτυο διανομής ηλεκτρικού ρεύματος αυτών, που ως γνωστόν λειτουργεί κατά πλείστον με «κεντροποιημένο» τρόπο, δηλαδή μέσω παραγωγής και διανομής του ηλεκτρικού ρεύματος από μεγάλους ηλεκτροπαραγωγικούς σταθμούς. Σε αντίθεση δηλαδή με το «κεντροποιημένο» σύστημα παραγωγής και διανομής του ηλεκτρικού ρεύματος που ισχύει σήμερα, το μελλοντικό «αποκεντρωμένο» ενεργειακό σύστημα του υδρογόνου θα χαρακτηρίζεται σε μεγάλο ποσοστό από την ενσωματωμένη ενεργειακή μετατροπή αυτού (embedded hydrogen generation), δηλαδή την τοπικά ασκούμενη μετατροπή του υδρογόνου σε ενέργεια από τοπικούς σταθμούς παραγωγής του. Το «αποκεντρωμένο» αυτό σύστημα παραγωγής και διανομής του υδρογόνου, εκτός από την αποφυγή απωλειών σε εθνικό επίπεδο, παρουσιάζει το πλεονέκτημα ότι αποτελεί και ένα νέο «καθαρό» σύστημα παραγωγής ενέργειας, το οποίο αξιοποιεί και διάφορες άλλες μορφές ΑΠΕ εκτός από το υδρογόνο. Για να έχουμε μια εικόνα για τον τρόπο λειτουργίας του αποκεντρωμένου συστήματος διανομής του υδρογόνου, θα αναφέρουμε τα στάδια από τα οποία αυτό αποτελείται, ξεκινώντας από το στάδιο της παραγωγής του μέσω κυρίως διαφόρων ΑΠΕ, μέχρι το στάδιο της κατανάλωσης της ενέργειάς του από τον τελικό αποδέκτη του (τον άνθρωπο) [25]: 1. Το πρώτο στάδιο, που θα αναφερθούμε στη συνέχεια περιλαμβάνει την παραγωγή του υδρογόνου, μέσω κατάλληλων τεχνικών, χρησιμοποιώντας γι' αυτό σαν πρώτες ύλες κυρίως το νερό (μέσω της ηλεκτρόλυσης ή της υδρόλυσής του) ή εναλλακτικά τα ορυκτά καύσιμα και εφαρμόζοντας τις διάφορες άλλες τεχνολογίες ΑΠΕ για την παραγωγή του (π.χ. ηλιακή ή αιολική ενέργεια). 2. Το δεύτερο στάδιο, περιλαμβάνει την αποθήκευση του παραχθέντος υδρογόνου του πρώτου σταδίου, με τη βοήθεια διαφόρων φυσικών ή χημικών διεργασιών αποθήκευσής του (π.χ. αποθήκευσή του σε στερεά υλικά). 3. Το τρίτο και τελευταίο στάδιο του «αποκεντρωμένου» συστήματος παραγωγής και διανομής του υδρογόνου, περιλαμβάνει την μετατροπή της εσωτερικής χημικής ενέργειας του υδρογόνου, αρχικά σε ηλεκτρισμό ή θερμότητα και στη συνέχεια σε οποιαδήποτε άλλη μορφή ενέργειας, στο σημείο όπου γίνεται η κατανάλωσή του. Οι ενεργειακές απαιτήσεις του μέλλοντος μπορούν πράγματι να καλυφθούν από την μαζική χρησιμοποίηση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας, μιας και το υδρογόνο, εκτός από την δυνατότητα που έχει να παράγει σχεδόν «καθαρή» ενέργεια στη πράξη, αποτελεί, όπως έχουμε αναφέρει και το πιο συμφέρον, από άποψη ενεργειακών δυνατοτήτων, καύσιμο σε σχέση με όλα τα ενεργειακά καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα. Το γεγονός αυτό απεικονίζεται έκδηλα στον παρακάτω πίνακα 2.3, στον οποίο γίνεται μια σύγκριση μεταξύ της παραγωγικής ικανότητας του υδρογόνου σε ενέργεια και της παραγωγικής ικανότητας 34

35 των κυριοτέρων σημερινών ενεργειακών καυσίμων που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο [26],[27]: Καύσιμο Υδρογόνο Φυσικό αέριο LPG (προπάνιο) Πετρέλαιο (αργό) Μεθανόλη Βενζίνη Μπαταρίες Μολύβδου Ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους (kwh/kg)* Ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου (kwh/lt) Όπως παρατηρούμε από τον παραπάνω πίνακα, το υδρογόνο παρουσιάζει την μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους του (33.3 kwh/kg) σε σχέση με αυτή των υπολοίπων (ορυκτών ή μη) ενεργειακών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα. Από την άλλη μεριά όμως, παρουσιάζει και την μικρότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου του (0.53 kwh/lt) σε σχέση με αυτά, γεγονός που οφείλεται στην εξαιρετικά μικρή του αέρια πυκνότητα υπό συνθήκες περιβάλλοντος. Αυτό, όπως θα δούμε και στη συνέχεια, αποτελεί σήμερα το κυριότερο εμπόδιο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας του, κυρίως στον τομέα της ασφαλούς και αποτελεσματικής αποθήκευσής του. Όπως όμως έχουμε αναφέρει, τα τελευταία χρόνια γίνονται προσπάθειες να επιλυθεί και το πρόβλημα αυτό, μέσω κυρίως της ανάπτυξης των τεχνικών μεθόδων αποθήκευσής του σε διάφορα υλικά. Τα αποτελέσματα από αυτές τις προσπάθειες έχουν ήδη αρχίσει σιγά - σιγά να γίνονται ορατά. Ένας επιστημονικός τομέας του οποίου η εφαρμογή αποτελεί το βασικό κλειδί για την ανάπτυξη της τεχνολογίας του υδρογόνου, είναι η επιστήμη μανομέτρου (ή η νανοεπιστήμη). Αυτό, διότι πολλά υλικά προοριζόμενα για την αποθήκευσή του στη μάζα τους ή και για την κατασκευή βασικών μερών διατάξεων παραγωγής ενέργειάς του (π.χ. μεμβρανών και ηλεκτροδίων από κυψέλες καυσίμου του), βελτιώνουν ριζικά τις επιδόσεις τους, όταν αποκτήσουν νανοκρυσταλλική. Ο λόγος γι' αυτό είναι, ότι όταν τα συγκεκριμένα αυτά υλικά, όταν αντιδρούν στην διάσταση του nm, παρουσιάζουν κάποιες ξεχωριστές ιδιότητες που συντελούν σημαντικά στην απόσπαση ενέργειας από το υδρογόνο. Οι ξεχωριστές αυτές ιδιότητες, προέρχονται κυρίως από τις μεγάλες επιφάνειες που έχουν οι θεμελιώδη λίθοι τους (κόκκοι), όταν αυτοί βρίσκονται δομημένοι στη διάσταση του nm. Εξετάζοντας, από την άλλη μεριά, τη χρησιμοποίηση του υδρογόνου σαν μαζικού φορέα ενέργειας σε μακροσκοπική κλίμακα, η μαζική του εφαρμογή, από ενεργειακή και περιβαλλοντική σκοπιά, προφανώς αποτελεί μια εξαιρετικά ελπιδοφόρα λύση για το μέλλον, όσον αφορά το ενεργειακό και περιβαλλοντικό πρόβλημα που σήμερα αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Ωστόσο, δεν θα πρέπει να ξεχνάμε, ότι η τεχνολογία αξιοποίησης του υδρογόνου σαν ενεργειακό καύσιμο αποτελεί μια σχετικά καινούργια επιστήμη, η οποία μόλις τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει αρχίσει να κάνει τα πρώτα δυναμικά της βήματα. Επομένως, είναι φυσιολογικό να υπάρχουν ακόμα πολλοί τομείς στους οποίους αυτή θα πρέπει να εξελιχτεί περαιτέρω, πριν η μαζική της χρησιμοποίηση εφαρμοστεί και στην πράξη. Υπάρχουν δηλαδή ακόμη αρκετά τεχνολογικά ζητήματα τα οποία πρέπει πρώτα να ξεπεραστούν, πριν το υδρογόνο μπορέσει να αποτελέσει μια αξιόπιστη εναλλακτική λύση έναντι των διαφόρων ορυκτών καυσίμων που κατά πλείστον χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μαζική παραγωγή ενέργειας. Ένας σημαντικός τομέας στον οποίο η ενέργεια του υδρογόνου θα πρέπει να κάνει ακόμα αρκετά βήματα, είναι ο τομέας της μαζικής παραγωγής των Πίνακας 2.3 :Συγκριτικά στοιχεία ενεργειακής πυκνότητας μεταξύ του υδρογόνου και των κυριοτέρων από τα σημερινά ενεργειακά καύσιμα.

36 διαφόρων ενεργειακών τεχνολογιών της σε οικονομική κλίμακα, η οποία προς το παρόν δεν έχει ακόμα επιτευχθεί. Υπάρχουν αρκετά αίτια που συντελούνε σ' αυτό, μεταξύ των οποίων προφανώς βρίσκεται και η κατασκευή μηχανών της οι οποίες θα αποτελούνται από φθηνά και προσβάσιμα υλικά. Η βασικότερη όμως αιτία που συντελεί στην καθυστέρηση της ανάπτυξής της, είναι η κατασκευή ενός μαζικού δικτύου διανομής της ενέργειάς του υδρογόνου, η οποία κατά κύριο λόγο οφείλεται στην υποσκέλιση αυτής από τη χρησιμοποίηση των ορυκτών καυσίμων σαν βασικά μέσα παραγωγής ενέργειας. Ωστόσο, σε διάφορες χώρες ανά το κόσμο έχουν ήδη γίνει βήματα προς αυτή τη κατεύθυνση, κυρίως μέσω της χρησιμοποίησης του υδρογόνου σε διάφορα μεταφορικά μέσα [28]: Εικόνα 2.8: Αστικό επιβατικό λεωφορείο με κυψέλες καυσίμου υδρογόνου (τέθηκε για πρώτη φορά σε κυκλοφορία το 2006 στην πόλη του Αμβούργου στη Γερμανία). 2.10) Τρόποι μεταφοράς του υδρογόνου πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα των συστημάτων διανομής του ) Μεταφορά και διανομή Η 2 Το υδρογόνο μπορεί να μεταφερθεί σε μεγάλες ποσότητες μέσω υπόγειων αγωγών (αέριο υδρογόνο) ή με δεξαμενόπλοια (υγρό υδρογόνο). Επί του παρόντος, η μεταφορά υδρογόνου μέσω αγωγών χρησιμοποιείται είτε σε σύνδεση μεταξύ της παραγωγής και των γύρω χώρων χρήσης (μέχρι 10 χλμ.) ή σε πιο εκτεταμένα δίκτυα (περίπου 200 χλμ.). Για την κατασκευή των αγωγών υδρογόνου, είναι αναγκαία η χρήση του χάλυβα που είναι ανθεκτικός ως προς την ευθραυστότητα κατά την χρήση υδρογόνου υπό πίεση, ιδίως για το πολύ καθαρό υδρογόνο (περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 99,5%). Εμβολοφόροι συμπιεστές αερίου που χρησιμοποιούνται για το φυσικό αέριο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το υδρογόνο χωρίς σημαντικές τροποποιήσεις του σχεδιασμού. Ωστόσο, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην σφράγιση (για την αποφυγή διαρροών του υδρογόνου) και την επιλογή των βασικών υλικών για τα μέρη που υπόκεινται σε μηχανική κόπωση. Η χρήση των φυγοκεντρικών συμπιεστών για το υδρογόνου δημιουργεί περισσότερα προβλήματα που οφείλονται στην εξαιρετική ελαφρότητα του υδρογόνου. Κατά κανόνα, η μετάδοση του υδρογόνου μέσω αγωγών απαιτεί μεγαλύτερη διάμετρο σωληνώσεων και μεγαλύτερη δύναμη συμπίεσης από τους αντίστοιχους του φυσικού 36

37 αερίου για την ίδια απόδοση ενέργειας. Ωστόσο, λόγω των χαμηλότερων απωλειών πίεσης στην περίπτωση του υδρογόνου, οι σταθμοί συμπίεσης μπορούν να είναι τοποθετημένοι δύο φορές μακρύτερα μεταξύ τους. Σε οικονομικό επίπεδο, σε περισσότερες από τις μελέτες διαπιστώθηκε ότι το κόστος της μεταφοράς του υδρογόνου σε μεγάλη κλίμακα είναι μεγαλύτερο περίπου 1,5-1,8 φορές του κόστους της μεταφοράς φυσικού αερίου. Η διανομή του υδρογόνου παίζει ξεχωριστό ρόλο στην ανάπτυξη και εδραίωση της Οικονομίας του υδρογόνου. Ο τρόπος συγκρότησης του δικτύου διανομής του υδρογόνου, τόσο σε τοπικό, όσο και σε ευρύτερο επίπεδο, διαφέρει σημαντικά από αυτόν που χρησιμοποιείται σήμερα, σε παγκόσμια κλίμακα, για τη διανομή των διαφόρων συμβατικών ορυκτών καυσίμων (πετρέλαιο, φυσικό αέριο κ.τ.λ.). Ως γνωστόν, τα περισσότερα συμβατικά ορυκτά καύσιμα που καταναλώνονται στις μέρες μας από τον άνθρωπο (με εξαίρεση το φυσικό αέριο), μεταφέρονται αποκλειστικά σε υγρή ή στερεά μορφή. Το γεγονός αυτό καθιστά τις υπάρχουσες υποδομές μεταφοράς τους ακατάλληλες για την μεταφορά του υδρογόνου, το οποίο σε συνήθεις συνθήκες περιβάλλοντος είναι αέριο. Ακόμα και αν το υδρογόνο μετατρέπονταν σε υγρό, μέσω συμπίεσης και μεταφέρονταν από το σημερινό υπάρχον σύστημα μαζικής διανομής των υγρών ορυκτών καυσίμων, η μεταφορά του αυτή θα σήμαινε αφενός την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας για την μετατροπή του σε υγρό (με αποτέλεσμα το κόστος για τη μεταφορά του να γινότανε υπερβολικά μεγάλο) και αφετέρου θα παρουσίαζε αυξημένα προβλήματα ασφάλειας και αξιοπιστίας εξαιτίας των ιδιαίτερων συνθηκών που επικρατούν κατά τη μεταφορά του υδρογόνου σε υγρή μορφή (υψηλές πιέσεις). Από την άλλη μεριά, η υποδομή του παγκόσμιου δικτύου διανομής που χρησιμοποιείται σήμερα για τη μεταφορά του φυσικού αερίου σαν αέριο, είναι εξίσου ανεπαρκής για τη μεταφορά του αέριου υδρογόνου, μιας και οι συνθήκες πιέσεων που απαιτούνται για τη μεταφορά του φυσικού αερίου σε συνήθεις θερμοκρασίες περιβάλλοντος είναι πολύ μικρότερες από τις αντίστοιχες της μεταφοράς του υδρογόνου. Έτσι, από τα παραπάνω μπορούμε να εξάγουμε το συμπέρασμα, ότι η μελλοντική διανομή του υδρογόνου με ασφαλή και αποτελεσματικό τρόπο, μπορεί να γίνει μόνο μέσω ειδικού σχεδιασμού του μελλοντικού δικτύου μεταφοράς του, ο οποίος αναγκαστικά θα είναι μεγαλύτερων απαιτήσεων από αυτόν που εφαρμόζεται σήμερα για τη μεταφορά των συμβατικών υγρών ή αέριων ορυκτών καυσίμων. Σε θεωρητικό επίπεδο, υπάρχουν σήμερα ήδη αρκετοί σχεδιασμοί όσον αφορά τη μελλοντική δομή του δικτύου διανομής του υδρογόνου σε παγκόσμια κλίμακα. Οι σχεδιασμοί αυτοί, διαφοροποιούνται ανάλογα με την φιλοσοφία με την οποία προσεγγίζεται γενικότερα το ζήτημα της μελλοντικής συγκρότησης της Οικονομίας του υδρογόνου, λαμβάνοντας υπόψη και τις τοπικές γεωγραφικές και περιβαλλοντικές συνθήκες που επικρατούν σε κάθε περιοχή της Γης. Από τους διάφορους αυτούς θεωρητικούς σχεδιασμούς, δύο είναι οι σημαντικότεροι, κυρίως επειδή δίνουν μια εύγλωττη εικόνα του ριζικά διαφορετικού τρόπο προσέγγισης της μελλοντικής συγκρότησης της Οικονομίας του υδρογόνου. Η πρώτη προσέγγιση συγκρότησης του μελλοντικού δικτύου διανομής του υδρογόνου, έχει αρκετά παρόμοια μορφή μ αυτή που εφαρμόζεται σήμερα για τη μαζική διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο σε τοπικό, όσο και σε ευρύτερο πλαίσιο. Σύμφωνα μ αυτή μελλοντικά προβλέπεται, ότι πολλές μεγάλες μονάδες παραγωγής του υδρογόνου ικανές να παράγουν μεγάλες ποσότητες αυτού, θα βρίσκονται συνδεδεμένες μεταξύ τους μέσω κατάλληλων αγωγών μεταφοράς του, οι οποίοι θα το μεταφέρουν σε αέρια μορφή. Μέρος του δικτύου αυτού θα αποτελούν και τα διάφορα κέντρα ελέγχου διανομής του υδρογόνου, τα οποία θα αναλαμβάνουν να το τροφοδοτούν σε μικρότερους σταθμούς διανομής του (όπως για παράδειγμα σε πρατήρια ανεφοδιασμού οχημάτων του, ηλεκτρικά εργοστάσια κ.τ.λ.). Επειδή η παραγωγή, κατά τη συγκεκριμένη προσέγγιση συγκρότησης του μελλοντικού δικτύου διανομής του υδρογόνου, λαμβάνει χώρα μακριά από τις τοπικές πηγές κατανάλωσής του, ο συγκεκριμένος τρόπος διανομής του χαρακτηρίζεται σαν κεντροποιημένος [29]. Το όλο σκεπτικό της κεντροποιημένης μελλοντικής συγκρότησης του δικτύου διανομής του υδρογόνου, παριστάνεται σχηματικά παρακάτω: 37

38 Σχήμα 2.7: Κεντροποιημένη» διανομή του υδρογόνου [30]. Η δεύτερη προσέγγιση της πιθανής μελλοντικής συγκρότησης του δικτύου διανομής του υδρογόνου, βρίσκεται στον αντίποδα της πρώτης και αναφέρεται σαν μη κεντροποιημένη διανομή του υδρογόνου [29]. Σύμφωνα μ αυτή, το υδρογόνο θα παράγεται μελλοντικά απευθείας στα διάφορα τοπικά σημεία της κατανάλωσής του, δηλαδή απευθείας στα διάφορα τοπικά κέντρα της ζήτησής του, μέσω της εκάστοτε μεθόδου παραγωγής του που θα είναι περισσότερο κατάλληλη γι αυτό (ανάλογα με τις εκάστοτε γεωγραφικές, τεχνολογικές και κοινωνικές συνθήκες που θα επικρατούν στα σημεία αυτά). Εκτός από αυτό, οι μελλοντικές ποσότητές του που θα παράγονται στα διάφορα τοπικά σημεία της ζήτησής του θα είναι τέτοιες, ώστε να μπορούν αφενός να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες του κάθε τοπικού πληθυσμού και αφετέρου να διοχετευτούν και στο ευρύτερο δίκτυο διανομής, είτε για εσωτερική κατανάλωση (για ένα κράτος) είτε για εξαγωγή. Έτσι, η συγκεκριμένη διανομή του υδρογόνου προς τα διάφορα σημεία της κατανάλωσής του, θα ακολουθεί έναν, λίγο ή περισσότερο, τοπικό δρόμο μεταφοράς, ο οποίος δεν θα απέχει ιδιαίτερα από τα εκάστοτε κέντρα της παραγωγής του. Ένα βήμα παραπέρα, αποτελεί επίσης η απευθείας παραγωγή του υδρογόνου στο κάθε σημείο της ζήτησής του, όπου αυτό προφανώς κρίνεται δυνατό, χωρίς την απαραίτητη μεσολάβηση οποιονδήποτε ενδιάμεσων σταθμών παραγωγής του. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε για παράδειγμα να συμβεί με την παραγωγή του υδρογόνου από τον ίδιο τον χρήστη του, δηλαδή της ενέργειάς του, π.χ. στο χώρο του σπιτιού μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού από οικιακά ηλιακά ή αιολικά ηλεκτροπαραγωγικά συστήματα με σκοπό την κάλυψη των διαφόρων οικιακών αναγκών ή στο χώρο της εργασίας για μικρές ή μεσαίες επιχειρήσεις. Από την παραπάνω ανάλυση της πιθανούς συγκρότησης του μελλοντικού δικτύου διανομής του υδρογόνου μπορούμε να συμπεράνουμε, ότι το σημαντικό πλεονέκτημα που παρουσιάζει η μη κεντροποιημένη διανομή του είναι η σημαντική ενεργειακή ανεξαρτησία που αυτή προσφέρει σε σχέση με την κεντροποιημένη του διανομή. Αυτό γιατί, η δυσλειτουργία που ενδεχομένως θα μπορούσε αυτή να παρουσιάσει σε κάποιο σημείο του δικτύου της, δε θα είχε οπωσδήποτε σαν συνέπεια την παρεμπόδιση ή διακοπή της λειτουργίας και κάποιων άλλων σημείων του δικτύου της, μιας και, όπως αναφέραμε, τα διάφορα σημεία του ευρύτερου δικτύου της λειτουργούν σχεδόν ανεξάρτητα μεταξύ τους. Κάτι τέτοιο προφανώς δεν μπορεί να ισχύσει στην περίπτωση της κεντροποιημένης διανομής του υδρογόνου, αφού η ελαττωματική λειτουργία οποιουδήποτε τυχαίου σημείου του δικτύου της θα επηρεάσει πιθανότατα ένα ή περισσότερα γειτονικά του σημεία (όπως συμβαίνει σήμερα με την κεντροποιημένη διανομή που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της ηλεκτρικής 38

39 ενέργειας). Από το συγκεκριμένο γεγονός μπορούμε να συμπεράνουμε, ότι η μη κεντροποιημένη διανομής του υδρογόνου μπορεί να λειτουργήσει ομαλά και σε πιθανές περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης που καταστρέφουν η θέτουν προσωρινά εκτός λειτουργίας κάποια σημεία του δικτύου της (όπως π.χ. συμβαίνει σε περιπτώσεις φυσικών καταστροφών, δηλαδή εκτεταμένων πυρκαγιών, σεισμών, χιονοπτώσεων κ.τ.λ.). Αντίθετα, μια τέτοια προοπτική είναι σχεδόν αδύνατη για την κεντροποιημένη διανομή του υδρογόνου. Εκτός από την προστασία, λόγω ενεργειακής ανεξαρτησίας, απέναντι σε φυσικές καταστροφές και σε περιπτώσεις έκτακτης ανάγκης, το μη κεντροποιημένο σύστημα διανομής του υδρογόνου προσφέρει σημαντική διευκόλυνση και στην κάλυψη των ευρύτερων ενεργειακών αναγκών οποιουδήποτε κράτους, το οποίο συνεπάγεται γι αυτό την οικονομική και ενεργειακή του ανεξαρτησία από άλλα κράτη. Αυτός είναι και ο λόγος που σε παγκόσμια κλίμακα σήμερα, αρκετά μικρά ή μεγαλύτερα κράτη επενδύουν αρκετά μεγάλα ποσά σε αναπτυξιακά προγράμματα που αφορούν την μελλοντική συγκρότηση της Οικονομίας του υδρογόνου, μιας και αυτή θα σημάνει την ανεξαρτητοποίηση από τον μικρό εκείνο αριθμό των σημερινών κρατών-παραγωγών που ελέγχουν την παραγωγή και διακίνηση των ορυκτών καυσίμων σε παγκόσμια κλίμακα. Όσων αφορά τώρα την ασφάλεια των μελλοντικών δικτύων διανομής του υδρογόνου και των κέντρων παραγωγής και διοχέτευσής του, υπάρχουν ακόμα αρκετά σημαντικά ζητήματα που πρέπει να επιλυθούν, πρωτού αυτά λειτουργήσουν πρακτικά με αξιόπιστο και ασφαλή τρόπο. Όπως και στην περίπτωση του φυσικού αερίου, οι αγωγοί μεταφοράς του (αέριου) υδρογόνου και οι διάφοροι σταθμοί ανεφοδιασμού του, θα πρέπει να εξοπλιστούν με κατάλληλες τεχνολογίες διαχείρισής του. Οι τεχνολογίες αυτές θα πρέπει να είναι υψηλότερων απαιτήσεων από αυτές που χρησιμοποιούνται σήμερα για το φυσικό αέριο (εξαιτίας των αρκετά υψηλότερων πιέσεων που απαιτούνται για τη διανομή του υδρογόνου). Όλες επίσης οι τεχνικές προφυλάξεις ανίχνευσης πιθανούς διαρροής που εφαρμόζονται σήμερα κατά την διανομή του φυσικού αερίου (π.χ. ανιχνευτές διαρροής, βαλβίδες πιέσεων, βαλβίδες ασφαλείας κ.τ.λ.) θα πρέπει να εφαρμοστούν και στο μελλοντικό δίκτυο διανομής του υδρογόνου, καθώς η διαρροή του υδρογόνου κατά τη διανομή του είναι το ίδιο επικίνδυνη με αυτή του φυσικού αερίου (υπάρχει κίνδυνος έκρηξης!). Επειδή η διανομή και ο ανεφοδιασμός του υδρογόνου γίνονται κάτω από πολύ υψηλές πιέσεις, τα υλικά με τα οποία θα κατασκευάζονται οι μελλοντικοί αγωγοί μεταφοράς του θα πρέπει να έχουν μεγαλύτερη αντοχή από τους αγωγούς που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μεταφορά του φυσικού αερίου. Αυτή είναι και η σημαντικότερη διαφοροποίηση μεταξύ των δύο δικτύων διανομής αερίων (υδρογόνου και φυσικού αερίου), αφού οι τεχνολογίες των υλικών που απαιτούνται για το πρώτο διαφοροποιούνται αρκετά απ αυτές του δευτέρου. Τέλος, να αναφέρουμε, ότι εκτός από τη χρησιμοποίηση εξελιγμένων υλικών για την κατασκευή των αγωγών διακίνησης του υδρογόνου, είναι αναγκαίο αυτοί να εφοδιαστούν και με κατάλληλες διατάξεις συμπιεστών του σε διάφορα σημεία τους, μιας και εκτός από υψηλές πιέσεις κατά τη μεταφορά του, το υδρογόνο σαν αέριο απαιτεί οι υψηλές αυτές πιέσεις να παραμένουν και συνεχώς σταθερές. Αυτό οφείλεται κυρίως στην μεγάλη πτώση πίεσης που παρατηρείται στο δίκτυο διανομής του όταν αυτό απάγεται απ αυτό και χρησιμοποιείται για λόγους ανεφοδιασμού [29]. Παρά τις διάφορες τεχνικές δυσκολίες που υπάρχουν ακόμη για την ευρύτερη εφαρμογή της διανομής του υδρογόνου, αρκετά τεχνολογικά προηγμένα κράτη σήμερα (μεταξύ αυτών και αρκετά κράτη της Ε.Ε.), έχουν ήδη αρχίσει να αναπτύσσουν τις πρώτες, μικρής κλίμακας, υποδομές διανομής και ανεφοδιασμού του υδρογόνου, κυρίως δε για τον ανεφοδιασμό με υδρογόνο αστικών μεταφορικών οχημάτων του (λεωφορεία, Ι.Χ. κ.τ.λ.). Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί ο τοπικός σταθμός ανεφοδιασμού με υδρογόνο ο οποίος έχει κατασκευαστεί στη περιοχή Spandau του Βερολίνου της Γερμανίας, ο οποίος χρησιμοποιείται για τον ανεφοδιασμό των 14 αστικών επιβατικών λεωφορείων υδρογόνου που υπάρχουν στην πόλη του Βερολίνου: 39

40 Εικόνα 2.8:Σταθμός ανεφοδιασμού υδρογόνου στο Spandau του Βερολίνου στη Γερμανία [31]. 40 Εικόνα 2.9: Αστικά επιβατικά λεωφορεία της εταιρίας ΜΑΝ κινούμενα με ΜΕΚ υδρογόνου, τα οποία κυκλοφόρησαν τον Ιούνιο του 2006 στο Βερολίνο της Γερμανίας, ως μέρος του ευρωπαϊκού προγράμματος HyFLEET[32] ) Πλεονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας Στη συνέχεια θα αναφέρουμε συνοπτικά τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει το υδρογόνο σαν μέσο παραγωγής ενέργειας, έναντι των συμβατικών ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα για το σκοπό αυτό [33]: Σε σχέση με οποιοδήποτε συμβατικό καύσιμο, το υδρογόνο παρουσιάζει όπως έχουμε πει την μεγαλύτερη ικανότητα παραγωγής ενέργειας ανά μονάδα βάρους του, η οποία ισούται περίπου με kj/kg. Η ενέργεια αυτή, είναι τρεις φορές μεγαλύτερη περίπου από την ενέργεια 1 kg συμβατικής βενζίνης.

41 Κατά την καύση του (ή κατά την ηλεκτρόλυσή του μέσα σε κυψέλες καυσίμου), το υδρογόνο παράγει ελάχιστους ρύπους, οι οποίοι είναι πολύ λιγότεροι από αυτούς που παράγονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων. Όσο περισσότερο «καθαρή» είναι η ποσότητα του υδρογόνου που καίγεται με το οξυγόνο, τόσο λιγότεροι ρύποι εκλύονται κατά την καύση αυτή. Παρουσία «καθαρού» οξυγόνου, η καύση του «καθαρού» υδρογόνου παράγει μόνο νερό και θερμότητα, ενώ όταν το συμμετέχον οξυγόνο αντιδρά σαν «ατμοσφαιρικό» παράγονται και ορισμένα οξείδια του αζώτου (λόγω της παρουσίας του αζώτου στον ατμοσφαιρικό αέρα). Οι ποσότητες όμως αυτές είναι πολύ μικρές για να επηρεάσουν σημαντικά την ατμόσφαιρα της γης, ακόμα και για μαζικής κλίμακας κατανάλωση του υδρογόνου. Όπως αναφέραμε πριν, η καύση (ή η ηλεκτρόλυση) του υδρογόνου με τον ατμοσφαιρικό αέρα παράγει σαν κύριο προϊόν της το νερό. Οι ποσότητες όμως αυτού, όπως και οι αντίστοιχες ποσότητες των οξειδίων του αζώτου, είναι πολύ μικρές, ακόμα και για μαζική κατανάλωση του υδρογόνου, ώστε να επηρεάσουν σημαντικά το γήινο περιβάλλον. Εξάλλου, η πλεονάζουσα ποσότητα του νερού που παράγεται κατά την ένωση του υδρογόνου με το οξυγόνο μέσα σε ενεργειακές διατάξεις, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για περαιτέρω σκοπούς (π.χ. άρδευση γης, υδροδότηση πόλεων από σταθερές διατάξεις παραγωγής ενέργειας υδρογόνου). Εκτός από αυτό, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, μια δυνατή μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου είναι και η παραγωγή του μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, οπότε οι παραπάνω ποσότητες νερού που παράγονται από τη χρήση του μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν για την εκ νέου παραγωγή του, βάζοντας έτσι το παραγόμενο από αυτό νερό σε έναν ημιανανεώσιμο κύκλο ζωής. Η διαδικασία αυτή αναμένεται να εφαρμοστεί στη πράξη στα επόμενα χρόνια, με την αντίστοιχη ανάπτυξη των εναλλακτικών τεχνολογιών παραγωγής του μέσω ηλεκτρόλυσης (π.χ. χρήση ηλιακής ή αιολικής ενέργειας). Το υδρογόνο είναι το ίδιο ακίνδυνο, από πλευράς αυθόρμητης ανάφλεξης, σε σχέση με τα υπόλοιπα συμβατικά ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα (π.χ. βενζίνη, πετρέλαιο, φυσικό αέριο κ.τ.λ.). Μάλιστα, κατά την απουσία ατμοσφαιρικού αέρα και υπό συνήθεις συνθήκες περιβάλλοντος (Τ = 20 C και P = 1atm), το υδρογόνο είναι λιγότερο εύφλεκτο από αυτά τα καύσιμα, έχοντας για θερμοκρασία αυθόρμητης ανάφλεξής του τους 585 C (αντίστοιχη θερμοκρασία αυθόρμητης ανάφλεξης της βενζίνης, απουσία ατμοσφαιρικού αέρα: 230 C C). Μπορεί να συμβάλει σταδιακά στη μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων, επιφέροντας έτσι σημαντικές ωφέλειες στον περιβαλλοντικό, ενεργειακό αλλά και οικονομικό τομέα, μέσω της δημιουργίας νέων θέσεων εργασίας για τον τελευταίο. Αν και σε πολλές περιπτώσεις τα διάφορα ορυκτά καύσιμα χρησιμοποιούνται και τα ίδια σαν πρώτες ύλες για την παρασκευή του υδρογόνου, το ενεργειακό και περιβαλλοντικό όφελος που προκύπτει από τη χρησιμοποίηση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των ορυκτών καυσίμων. Όπως έχουμε αναφέρει, η πιο αποδοτική και συμφέρουσα οικονομικά μέθοδος παρασκευής του υδρογόνου αυτή τη στιγμή, βασίζεται στην αναμόρφωση του φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο είναι ένα ορυκτό, το οποίο είναι αρκετά φθηνό, πολύ αποδοτικό και υπάρχει ακόμα σε μεγάλες διαθέσιμες ποσότητες στη φύση. Βεβαίως η χρησιμοποίησή του δεν σημαίνει ότι δεν θα πρέπει να γίνει αξιοποίηση των διαφόρων ΑΠΕ για την παραγωγή του υδρογόνου, οι οποίες μάλιστα μελλοντικά θα πρέπει και να το αντικαταστήσουν σ' αυτήν τη λειτουργία. Η χρησιμοποίησή του πάντως, αποτελεί ένα καλό προσωρινό μέτρο για την παραγωγή υδρογόνου με περιβαλλοντικά φιλικούς τρόπους, μέχρις ότου η μαζική χρησιμοποίηση των διαφόρων ΑΠΕ γι' αυτόν τον σκοπό γίνει πραγματικότητα. Τέλος, το υδρογόνο μπορεί να παρασκευαστεί με πολυάριθμες μεθόδους και σε οποιοδήποτε μέρος της γης και επομένως μπορεί να βοηθήσει πολλά κράτη που είναι «φτωχά» σε διαθέσιμα κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων να αναπτύξουν τα δικά τους αυτάρκη και ολοκληρωμένα ενεργειακά συστήματα. Μέσου αυτού τα συγκεκριμένα κράτη, που ως γνωστόν είναι τα πολυπληθέστερα πάνω στον πλανήτη, θα μπορέσουν να αναπτύξουν τις 41

42 δικές τους αυτόνομες ενεργειακές οικονομίες, ξεφεύγοντας από τον φαύλο κύκλο της ενεργειακής τους εξάρτησης από άλλα κράτη - προμηθευτές τους σε ορυκτά καύσιμα. Να αναφερθεί επίσης, ότι στα πλαίσια της ενεργειακής ανεξαρτησίας που προσφέρει το υδρογόνο ως καύσιμο ανήκει και η υψηλή αυτονομία και αυτοδιαχείριση που προσφέρει όταν καταναλώνεται στα πλαίσια ενός ενεργειακού συστήματος, η οποία συντελεί στο να προφυλάσσεται ικανοποιητικά το σύστημα αυτό όταν στο δίκτυό του συμβούν διάφορες καταστροφές λόγω δυσμενών γεγονότων (π.χ. πυρκαγιές, πλημμύρες, σεισμοί κ.τ.λ.), αφού η διακοπή της λειτουργίας μερικών τμημάτων του δεν έχει οπωσδήποτε σαν αποτέλεσμα την καθολική του κατάρρευση, μιας και τα διάφορα τμήματα που το αποτελούν είναι, λίγο ή περισσότερο ανεξάρτητα το ένα με το άλλο ) Μειονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των συμβατικών πηγών 42 ενέργειας Όσων αφορά τώρα τα μειονεκτήματα του υδρογόνου έναντι των υπολοίπων συμβατικών πηγών ενέργειας, τα περισσότερα από αυτά έχουν να κάνουν με την σχετικά πρόσφατη στροφή της έρευνας προς την αξιοποίηση του υδρογόνου ως καύσιμο, με αποτέλεσμα να μην έχουν ακόμα εξελιχθεί οι κατάλληλες τεχνικές, ώστε να είναι ικανό να αξιοποιηθεί σε μαζική κλίμακα στη πράξη. Συνοπτικά, τα μειονεκτήματα αυτά έχουν ως εξής [33]: Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζει σήμερα το υδρογόνο σαν καύσιμο, αλλά και γενικότερα σαν βιομηχανικό προϊόν, είναι αυτό της αποτελεσματικής και ασφαλούς αποθήκευσής του. Δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι ένα στοιχείο που σε αέρια κατάσταση είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητάς του σε πολύ μικρού μεγέθους δεξαμενές είναι ακόμα αρκετά δύσκολη, εξαιτίας των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται γι' αυτό (ή αντίστοιχα εξαιτίας των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών που χρειάζονται για την αποθήκευσή του σαν υγρό). Εκτός από αυτό, οι ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που απαιτούνται για την αέρια ή την υγρή του αποθήκευση, συνεπάγονται και την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας για την επίτευξή τους, με αποτέλεσμα η αέρια ή η υγρή αποθήκευση του υδρογόνου να είναι αρκετά δαπανηρή σαν μέθοδος αποθήκευσής του. Για τον λόγο αυτό και η έρευνα που γίνεται σήμερα πάνω στην αποθήκευση του υδρογόνου έχει στραφεί προς νέες τεχνικές μεθόδους, οι οποίες αφενός έχουν σαν πεδίο αναφοράς τους την αποθήκευσή του σε αναδομημένα υλικά (αύξηση της ποσότητας αποθήκευσής του) και στην δέσμευσή του από στερεά υλικά τα οποία το αποθηκεύουν στη μάζα τους με τη μορφή «στερεού» (προσροφημένο ή απορροφημένο μεταξύ των στερεών τους μορίων). Η «στερεή» αποθήκευση του υδρογόνου στα συγκεκριμένα υλικά, έχει σαν αποτέλεσμα να μειώνονται δραματικά οι ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που απαιτούνται κατά την αποθήκευσή του σαν υγρό ή σαν αέριο. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει το υδρογόνο σαν καύσιμο παραγωγής ενέργειας είναι και το γεγονός, ότι το παγκόσμιο δίκτυο διανομής του προς το παρόν δεν υφίσταται, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μαζική κλίμακα και από όλες τις χώρες του κόσμου. Επιπλέον, λόγω της ανυπαρξίας του δικτύου διανομής του, το κόστος ανεφοδιασμού του υδρογόνου σε παγκόσμια κλίμακα παραμένει ακόμα υψηλό, μιας και οι διάφορες τεχνολογίες παραγωγής του μέσω ΑΠΕ δεν έχουν εξελιχθεί ακόμα σε ικανοποιητικό βαθμό. Το γεγονός όμως αυτό αναμένεται να αλλάξει στο μέλλον, όσο η κατανάλωσή του σαν καύσιμο θα αρχίσει να αυξάνεται και όσο η παραγωγή του από ΑΠΕ θα γίνεται όλο και περισσότερο φθηνότερη. Ένα τελευταίο πρόβλημα που αντιμετωπίζει σήμερα το υδρογόνο σαν καύσιμο μαζικής παραγωγής ενέργειας, είναι και το αυξημένο κόστος των διαφόρων ενεργειακών διατάξεων που χρησιμοποιούνται για την αξιοποίησή του σαν καύσιμο (των κυψελών καυσίμου και των ΜΕΚ υδρογόνου). Η τεχνολογία των διατάξεων αυτών, προς το παρόν, δε μπορεί ακόμα να θεωρηθεί ολοκληρωτικά αξιόπιστη, μιας και κατά την εφαρμογή τους

43 παρουσιάζονται ορισμένα τεχνικά και οικονομικής φύσης προβλήματα που δεν καθιστούν ικανή τη μαζική χρησιμοποίησή τους. Για παράδειγμα, διάφορες κυψέλες καυσίμου υδρογόνου (π.χ. κυψέλες καυσίμου για οικιακή ή μεταφορική χρήση), εμφανίζουν ακόμα αρκετά προβλήματα μη ανοχής σε «μη καθαρά» υδρογονούχα καύσιμα, δηλαδή σε υδρογονούχα καύσιμα που δεν περιέχουν το υδρογόνο σε μεγάλες περιεκτικότητες (ως γνωστόν οι κυψέλες αυτές μπορούν να λειτουργήσουν και με «μη καθαρό» υδρογόνο π.χ. μεθανόλη, αιθανόλη κ.τ.λ.). Αυτό με τη σειρά του αυξάνει το κόστος χρήσης τους, λόγω της ανάγκης παραγωγής «καθαρού» υδρογόνου για μέγιστη αποδοτική λειτουργία τους, με αποτέλεσμα οι συγκεκριμένες κυψέλες καυσίμου να μην είναι ακόμα αρκετά ανταγωνιστικές σε σχέση με τις αντίστοιχες συμβατικές διατάξεις ορυκτών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή ενέργειας και να μην χρησιμοποιούνται ακόμα ευρέως. Επιπλέον, ένα ακόμα «αδύνατο» σημείο των κυψελών αυτών είναι, ότι τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων μηχανικών μερών είναι σχετικά ακριβά με αποτέλεσμα το κόστος χρήσης τους να αυξάνει ακόμα περισσότερο. Από την άλλη μεριά, τόσο στον τομέα της «καθαρότητας» των καυσίμων τους, όσο και στον τομέα των υλικών κατασκευής, οι ολοένα και περισσότερες ανακαλύψεις που γίνονται σήμερα από τους επιστήμονες που ασχολούνται με το συγκεκριμένο πεδίο δείχνουν, ότι στο μέλλον οι «απόγονες» ενεργειακές διατάξεις τους θα έχουν αντιμετωπίσει τα περισσότερα από τα προβλήματα αντιμετωπίζουν σήμερα. 2.11) Γενικά περί ασφάλειας χρήσης υδρογόνου. Είναι γνωστό ότι επικρατεί η άποψη ότι το υδρογόνο είναι επικίνδυνο για γενική χρήση, ένας μύθος που ξεκίνησε από την έκρηξη του γερμανικού αερόπλοιου με υδρογόνο, το 1937 στο Lakehurst του New Jersey. Πρόσφατα, όμως, βρέθηκε ότι η αιτία της έκρηξης οφειλόταν στο εξωτερικό ύφασμα του αερόστατου, που ήταν πολύ υψηλής ευφλεκτότητας. Στην πραγματικότητα φορτία με υγροποιημένο υδρογόνο έχουν ήδη διασχίσει 33 δισεκατομμύρια μίλια μεταφοράς. Σ όλη αυτή τη διάρκεια δεν υπάρχει ούτε μια αναφορά απώλειας προϊόντος ή πυρκαγιάς. Η βενζίνη, που είναι το κατεξοχήν αυτοκινούμενο καύσιμο, είναι 22 φορές πιο εκρηκτική και έχει πολύ χειρότερη αναφορά στην ιστορία της, ως προς το κίνδυνο που μπορεί να προκαλέσει. Το υδρογόνο, παρόλο που είναι εύφλεκτο, όταν αναφλέγεται καίει με καθαρή φλόγα και μόνο το ένα δέκατο της αποτελείται από υδρογονανθρακικής προέλευσης καύση. Η ενέργεια που παράγεται μ αυτό τον τρόπο έχει τη τάση να διασκορπίζεται πολύ πιο γρήγορα από ότι εκείνη που είναι αποτέλεσμα της καύσης βενζίνης ή διαφόρων ελαίων καύσης.[34] Όπως κάθε άλλο καύσιμο ή φορέας ενέργειας, το υδρογόνο ενέχει κινδύνους μπορεί κάτω από ορισμένες συνθήκες να οδηγήσει σε φωτιά ή και έκρηξη αν δεν ελέγχεται ή χρησιμοποιείται σωστά. Για το λόγο αυτό απαιτείται η κατανόηση των θεμάτων ασφάλειας που σχετίζονται µε την παραγωγή, αποθήκευση, διανοµή και χρήση του. Κατά την συγκριτική εκτίμηση της ασφάλειας ενός καυσίμου σε σχέση µε τα άλλα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τόσο η φύση του καυσίμου όσο και οι συνθήκες έκλυσης ) Διαρροές σε σωλήνες υδρογόνου Ο κίνδυνος του υδρογόνου πρέπει να εξεταστεί σε σχέση με τα κοινά καύσιμα όπως η βενζίνη, το προπάνιο ή το φυσικό αέριο. Τα ειδικά φυσικά χαρακτηριστικά του υδρογόνου και οι ιδιότητες που του προσδίδουν είναι αρκετά διαφορετικές από τα κοινά καύσιμα. Ορισμένες από αυτές τις ιδιότητες καθιστούν το υδρογόνο δυνητικά λιγότερο επικίνδυνο, ενώ άλλα χαρακτηριστικά του υδρογόνου το καθιστούν πιο επικίνδυνο σε ορισμένες περιπτώσεις. Επειδή το υδρογόνο είναι το μικρότερο μόριο από όλα τα αέρια έχει μεγαλύτερη τάση να διαφεύγει μέσα από μικρά ανοίγματα σε σχέση με άλλα υγρά ή αέρια καύσιμα. Με βάση τις ιδιότητες του υδρογόνου, όπως η πυκνότητα, ιξώδες, και το συντελεστή διάχυσης στον αέρα, η ροπή του υδρογόνου να διαρρέει μέσα από τις οπές ή στις αρθρώσεις των αγωγών 43

44 καυσίμου χαμηλής πίεσης μπορεί να είναι μόνο 1,26-2,8 φορές γρηγορότερη από τη διαρροή φυσικού αερίου μέσα από την ίδια οπή (και δεν είναι 3,8 φορές πιο γρήγορα, όπως συχνά θεωρείται όταν ο υπολογισμός βασίζεται αποκλειστικά σε συντελεστές διάχυσης). Πρόσφατες μελέτες κάνουν λόγο για απώλεια 0.1% αέριου υδρογόνου από το υπάρχον βιομηχανικό πλέγμα διανομής υδρογόνου στη Γερμανία. Αυτό είναι το μόνο στοιχείο όσον αφορά τις απώλειες για τις σωληνώσεις υδρογόνου. Είναι ενδιαφέρον να εξεταστεί η διαρροή των αγωγών φυσικού αερίου. Η διαρροή μεθανίου υπολογίστηκε από τις ρωσικές σωληνώσεις φυσικού αερίου, οι οποίες καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις, και βρέθηκε περί τα 0.7% (με διακύμανση %) συμπεριλαμβανομένων των συμπιεστών, των βαλβίδων και των μηχανών. Αναφέρθηκαν επίσης % απώλειες για τα δίκτυα διανομής χαμηλής πίεσης NG από αμερικάνικα έντυπα. Εντούτοις για διαφορετικούς λόγους, π.χ. ασφάλεια, οι σωληνώσεις υδρογόνου χτίζονται από διαφορετικά υλικά συναρμολόγησης έναντι των αγωγών φυσικού υγραερίου. Επομένως είναι πιθανό ότι η διαρροή των αγωγών φυσικού αερίου μπορεί τουλάχιστον να «αγγίξει» τη διαρροή υδρογόνου, η οποία προτείνεται 1.7%, με μια διακύμανση ( 0.9%-2.4%) για τα μη βιομηχανικά συστήματα σωληνώσεων υδρογόνου. Πειράματα έχουν δείξει ότι η ροή από αγωγούς φυσικού αέριου είναι στρωτή στις περισσότερες διαρροές των κατοικιών. Επειδή το φυσικό αέριο έχει πάνω από τρεις φορές την πυκνότητα ενέργειας ανά μονάδα όγκου, διαρροή φυσικού αερίου θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη απελευθέρωση ενέργειας από μια διαρροή υδρογόνου. Η διαρροή υδρογόνου από χώρο υψηλής πίεσης είναι συνήθως ηχητική. Κάτω από αυτές τις συνθήκες η παροχή όγκου είναι περίπου 2.8 φορές μεγαλύτερη, ενώ η παροχή ενέργειας 12% μικρότερη, σε σχέση µε παρόμοια διαρροή μεθανίου. Οι ανωστικές δυνάμεις παίζουν ιδιαίτερο ρόλο στην ατμοσφαιρική διασπορά σε περίπτωση ατυχήματος. Εάν είναι θετικές τότε αφενός ενισχύουν την διάχυση και αφετέρου οδηγούν σε μετατόπιση του νέφους καυσίμου αέρα προς τα πάνω. Η ύπαρξη μεγάλων ανωστικών δυνάμεων οδηγεί σε ταχεία αραίωση του νέφους, που σημαίνει ταχεία εμφάνιση εύφλεκτου νέφους αλλά και μικρό χρόνο παραμονής του. Αν ο χώρος του ατυχήματος είναι ανοικτός, τότε οι μεγάλες ανωστικές δυνάμεις οδηγούν σε περιορισμό της οριζόντιας επέκτασης του επικίνδυνου νέφους, καθώς αυτό μετατοπίζεται προς τα πάνω. Εάν ο χώρος του ατυχήματος είναι κλειστός, τότε θα πρέπει να υπάρχει τεχνολογία περιορισμού του ρίσκου (π.χ. εξαναγκασμένη κυκλοφορία αέρα). Εάν οι ανωστικές δυνάμεις είναι αρνητικές τότε τείνουν να οδηγήσουν το βαρύ νέφος προς τα κάτω, ενώ ταυτόχρονα επιβραδύνουν σημαντικά τον ρυθμό αραίωσής του. Ως αποτέλεσμα το βαρύ νέφος μπορεί να επεκταθεί σταδιακά σε μεγάλες οριζόντιες αποστάσεις, γεγονός που αυξάνει το ρίσκο. Το υδρογόνο σε αέρια μορφή σε συνθήκες περιβάλλοντος είναι λόγω πυκνότητας κατά πολύ πιο ανωστικό από το μεθάνιο, προπάνιο και βενζίνη και κατά συνέπεια σε περίπτωση ατυχήματος, τείνει να διαχυθεί προς τα πάνω πολύ πιο γρήγορα από τα άλλα καύσιμα. Σε περίπτωση κρυογονικής έκλυσης το πολύ κρύο μίγμα ατμών υδρογόνου και αέρα θα μετακινηθεί προς τα κάτω. Σ. αυτή την περίπτωση πρέπει να σημειωθεί ότι οι κορεσμένοι ατμοί υδρογόνου που θα δημιουργηθούν μετά από µία κρυογονική έκλυση έχουν πυκνότητα περίπου ίση µε αυτήν του αέρα, ενώ για μεθάνιο η αντίστοιχη πυκνότητα είναι κατά πολύ μεγαλύτερη του αέρα. Οι ανωστικές δυνάμεις είναι ασήμαντες, όταν οι συγκεντρώσεις είναι πολύ μικρές (πυκνότητα του μίγματος αέρα καυσίμου είναι περίπου ίση µε αυτήν του αέρα) και επίσης όταν η ορμή της έκλυσης είναι πολύ μεγάλη. Ορισμένοι χάλυβες υψηλής αντοχής είναι επιρρεπείς σε αστοχία λόγω ευθραυστότητας εξαιτίας του υδρογόνου. Η παρατεταμένη έκθεση σε υδρογόνο, ιδιαίτερα σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, μπορεί να προκαλέσει στο χάλυβα απώλεια της αντοχής του και να οδηγήσει σε αστοχία του υλικού. Ωστόσο, οι περισσότερες άλλες κατασκευές, δεξαμενές, σωλήνες και τα άλλα υλικά δεν είναι επιρρεπή σε αστοχία ευθραυστότητας λόγω του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, με την κατάλληλη επιλογή των υλικών, οι κίνδυνοι για την ασφάλεια από αστοχία ευθραυστότητας λόγω του υδρογόνου θα μπορούσαν να αποφευχθούν. 44

45 Σε περίπτωση που θα παρουσιαστεί διαρροή για οποιονδήποτε λόγο, το υδρογόνο θα διαλυθεί στον αέρα πολύ πιο γρήγορα από οποιοδήποτε άλλο καύσιμο, μειώνοντας έτσι γρήγορα τα επίπεδα επικινδυνότητας. Το υδρογόνο είναι το πιο δυναμικό και πιο διαχυτό από τη βενζίνη, το προπάνιο ή το φυσικό αέριο. Το μείγμα υδρογόνου/αέρα μπορεί να καεί σε σχετικά ευρεία αναλογία όγκων, μεταξύ 4% και 75% του υδρογόνου στον αέρα. Τα άλλα καύσιμα έχουν πολύ χαμηλότερο εύρος ευφλεκτότητας: το φυσικό αέριο 5,3-15%, το προπάνιο 2,1-10%, και η βενζίνη 1-7,8%. Σε πολλές πραγματικές καταστάσεις διαρροής, η βασική παράμετρος που καθορίζει εάν μια διαρροή θα αναφλεγεί είναι το κατώτερο όριο ευφλεκτότητας, και κατώτατο όριο ευφλεκτότητας υδρογόνου είναι 4 φορές υψηλότερο από εκείνο της βενζίνης, 1,9 φορές υψηλότερο από αυτό του προπανίου, και ελαφρώς μικρότερο από αυτό του φυσικού αέριου. Το υδρογόνο έχει πολύ χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης (0,02 MJ), περίπου μία τάξη μεγέθους χαμηλότερη από άλλα καύσιμα και είναι συνάρτηση του λόγου καυσίμου/αέρα (για το υδρογόνο πρέπει να φθάσει τουλάχιστον περίπου στο 25-30%). Στο χαμηλότερο όριο ευφλεκτότητας, του υδρογόνου η ενέργεια ανάφλεξης είναι συγκρίσιμη με εκείνη του φυσικού αερίου. Το υδρογόνο έχει ταχύτητα φλόγας επτά φορές πιο γρήγορη από ότι το φυσικό αέριο ή τη βενζίνη. Επομένως, μια φλόγα υδρογόνου είναι πιο πιθανό να προχωρήσει σε μια ανάφλεξη ή ακόμη και μια έκρηξη από άλλα καύσιμα, αλλά η πιθανότητα μιας τέτοιας έκρηξης εξαρτάται από την ακριβή αναλογία καυσίμου/αέρα, τη θερμοκρασία και τη γεωμετρία του κλειστού χώρου. Έκρηξη του υδρογόνου στην ανοικτή ατμόσφαιρα είναι εξαιρετικά απίθανη. Το κάτω όριο του λόγου καυσίμου/αέρα για την εκρηκτικότητα του υδρογόνο είναι 13-18%, το οποίο είναι δύο φορές υψηλότερο από εκείνο του φυσικού αερίου και 12 φορές υψηλότερο από εκείνο της βενζίνης. Επειδή το κατώτατο όριο ευφλεκτότητας είναι 4%, μια έκρηξη είναι δυνατή μόνο υπό τα πιο απίθανα σενάρια, π.χ., το υδρογόνο θα πρέπει πρώτα να συσσωρεύεται και να φθάσει σε συγκέντρωση 13% σε κλειστό χώρο χωρίς ανάφλεξη, και μόνο τότε μια πηγή ανάφλεξης θα πρέπει να ενεργοποιηθεί. Σε περίπτωση που συμβεί μια έκρηξη, το υδρογόνο έχει τη χαμηλότερη εκρηκτική ενέργεια ανά μονάδα αποθηκευμένης ενέργειας, και μία δεδομένη ποσότητα υδρογόνου θα έχει 22 φορές λιγότερο εκρηκτική ενέργεια από τον ίδιο όγκο γεμάτο με ατμούς βενζίνης. Η φλόγα του υδρογόνου είναι σχεδόν αόρατη, το οποίο μπορεί να είναι επικίνδυνο επειδή οι άνθρωποι στην περιοχή που γειτνιάζει με μια φλόγα υδρογόνου μπορεί να μην γνωρίζουν καν ότι υπάρχει φωτιά. Αυτό μπορεί να διορθωθεί με την προσθήκη χημικών ουσιών που θα παρέχουν την απαραίτητη φωτεινότητα. Ο χαμηλός συντελεστής εκπομπής της φωτιάς υδρογόνου σημαίνει ότι τα υλικά και οι άνθρωποι από γύρω θα είναι πολύ λιγότερο πιθανό να προκληθεί ανάφλεξη και / ή να προκληθεί ζημιά από ακτινοβολούμενη μεταφορά θερμότητας. Οι καπνοί και η αιθάλη από μια πυρκαγιά βενζίνης αποτελούν κίνδυνο για οποιονδήποτε εισπνεύσει τον καπνό, ενώ οι πυρκαγιές υδρογόνου παράγουν μόνο υδρατμούς (εφόσον δεν καίγονται δευτερογενή υλικά).[35,36] Το υγρό υδρογόνο παρουσιάζει μια άλλη σειρά ζητημάτων ασφάλειας, όπως ο κίνδυνος εγκαυμάτων λόγω του κρύου, καθώς και την αυξημένη διάρκεια διαρροής ενός κρυογονικού καυσίμου. Μια μεγάλη διαρροή υγρού υδρογόνου έχει κάποια χαρακτηριστικά της διαρροής ενός υγρού καυσίμου όπως η βενζίνη, όμως θα διαλυθεί πολύ γρηγορότερα στον αέρα. Ένας άλλος πιθανός κίνδυνος είναι μια βίαιη έκρηξη ενός ζέοντος υγρού και μετατροπή του σε ατμό σε περίπτωση εκτόνωσης λόγω αποτυχίας βαλβίδας ανακούφισης. Σαν συμπέρασμα το υδρογόνο παρουσιάζει ανάλογη επικινδυνότητα με το φυσικό αέριο ή την βενζίνη. 45

46 Εικόνα 2.10: Διαρροή υδρογόνου στο αριστερό όχημα και βενζίνης στο δεξί όχημα στα (α) 3 δευτερόλεπτα και (β) 1ο λεπτό. Απαραίτητες συνθήκες για την εκδήλωση πυρκαγιάς ή εκρήξεως τρία στοιχεία είναι απαραίτητα: Εύφλεκτα Υλικά Οξυγόνο Πηγή καύσης Μέτρα σε περίπτωση διαρροής σε κλειστό χώρο: προσπαθούμε να σταματήσουμε τη διαρροή (από την πηγή) εξασφαλίζουμε ότι η ατμόσφαιρα δεν είναι επικίνδυνη, π.χ. explosimeter, αισθητήρες εισερχόμαστε στο χώρο με αυτόνομη αναπνευστική συσκευή απομακρύνουμε πηγές ανάφλεξης αερίζουμε τον χώρο Μέτρα σε περίπτωση διαρροής σε ανοιχτό χώρο: εξασφαλίζουμε ότι η ατμόσφαιρα δεν είναι επικίνδυνη, π.χ. explosimeter, αισθητήρες απομακρύνουμε πηγές ανάφλεξης προσπαθούμε να σταματήσουμε τη διαρροή Μέτρα για την καταπολέμηση πυρκαγιάς: εφόσον είναι δυνατόν σταματάμε τη διαρροή απομακρύνουμε το δοχείο από τη φωτιά ή το ψύχουμε με κατάβρεξη από προστατευμένη θέση εάν το αέριο έχει αναφλεγεί το σβήνουμε μόνον εάν αυτό είναι δυνατό και απολύτως αναγκαίο μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα τα γνωστά μέτρα πυρόσβεσης είναι εξαιρετικά εύφλεκτο, η φλόγα του είναι αόρατη η θερμική επίδραση της πυρκαγιάς μπορεί να προκαλέσει τη διάρρηξη φιαλών/συστοιχιών Χειρισμός των φιαλών-συστοιχιών: Σύνδεση του μειωτήρα με τη φιάλη/συστοιχία, καθώς υπάρχει ο κίνδυνος ανάφλεξης του εξερχόμενου υδρογόνου (κίνηση πολύ συνήθης σε άλλα αέρια). Ανοίγουμε τα κλείστρα των φιαλών/συστοιχιών μόνο εφόσον έχουμε τοποθετήσει τους κατάλληλους μειωτήρες με τα σταθεροποιητικά παρεμβύσματα. Ελέγχουμε τις συνδέσεις ως προς τη στεγανότητά τους. Μετά το τέλος των εργασιών κλείνουμε τα κλείστρα των φιαλών/συστοιχιών. Προσωπικά μέτρα ασφαλείας: Χρησιμοποιούμε παπούτσια με αγώγιμες σόλες. Χρήση και αποθήκευση: γειώνουμε τον εξοπλισμό (κέντρα, συστοιχίες, δίκτυα) αποφεύγουμε την εισροή νερού στα δοχεία με υδρογόνο (κλείστρα κλειστά) χρησιμοποιούμε τον κατάλληλο εξοπλισμό (κέντρα, σωληνώσεις, φιάλες) 46

47 απομακρύνουμε πιθανές πηγές ανάφλεξης δεν το αποθηκεύουμε μαζί με οξειδωτικά και εύφλεκτα αέρια (π.χ. Οξυγόνο) δεν το αποθηκεύουμε σε θερμοκρασία υψηλότερη των 50 οc καθαρίζουμε τον εξοπλισμό από τον αέρα πριν από τη διοχέτευση υδρογόνου (purging) το χρησιμοποιούμε μόνο για εφαρμογές που προορίζεται (π.χ. όχι φούσκωμα μπαλονιών) όπου είναι απαραίτητο χρησιμοποιούμαι επιπρόσθετα μέτρα ασφαλείας (π.χ. αισθητήρες) χρησιμοποιούμαι ηλεκτρολογικό εξοπλισμό αντιεκρηκτικού τύπου τηρούμαι αυστηρά τις προβλεπόμενες ζώνες ασφαλείας (Ex-Zones) 2.12) Μπαταρίες Επίσης εναλλακτικός τρόπος αποθήκευσης ενέργειας είναι οι μπαταρίες. Οι μπαταρίες αποτελούν τη δεξαμενή, μέσα στην οποία διοχετεύεται το ρεύμα που παράγεται από τις φωτοβολταϊκες πλάκες. Υπάρχουν πολλά είδη μπαταριών από άποψη μεγέθους και κατασκευής. Δεν είναι όμως όλα τα είδη κατάλληλα. Αν χρησιμοποιήσουμε μπαταρίες μόλυβδου (αυτοκινήτου), τότε δεν θα έχουμε τη δυνατότητα να αντλήσουμε το ρεύμα, που φαίνεται ότι μπορεί να μας δώσει η μπαταρία αυτή. Απλά, γιατί αν αντλήσουμε ως κάτω από το 40% της χωρητικότητάς της, τότε υπάρχει κίνδυνος αχρήστευσης και τέλος πάντων η απόδοσή της θα πέσει κατακόρυφα. Σε περίπτωση κλειστού τύπου μπαταριών που περιέχουν gel ή σωληνωτού τύπου, που είναι όμως πιο ακριβές από τις κοινές, έχουμε τη δυνατότητα να αντλούμε το περιεχόμενο τους από το 0% πάρα πολλές φορές χωρίς να καταστρέφονται και με δυνατότητα επαναφόρτισής τους ως το 100% με σταθερή απόδοση. Αν φορτίζονται μερικώς καθυστερείται ο χρόνος "γήρανσης" της μπαταρίας όπως και αν βρίσκονται σε δροσερό περιβάλλον, πρέπει εκ τούτου να αποθηκεύονται 40% περίπου φορτισμένες σε δροσερό μέρος. Το ότι πρέπει να φορτίζονται μερικώς για να μειωθεί ο χρόνος γήρανσης της μπαταρίας που αποτελεί μειονέκτημα από μόνο του ή τα υπόλοιπα που πάλι αποτελούν μειονεκτήματα αφού ο τύπος της μπαταρίας έχει τέτοιες απαιτήσεις για την ορθή λειτουργία του σε βάθος χρόνου όπως φύλαξη σε δροσερό μέρος ή η αποθήκευση τους στο 40% της χωρητικότητας τους. Οι κρύσταλλοι είναι προϊόντα ηλεκτροχημικών αντιδράσεων κατά την λειτουργία της μπαταρίας που σε βάθος χρόνου μειώνουν την διάρκεια ζωής της και την απόδοση της κάτι που σε καμία περίπτωση δεν συμβαίνει στις φιάλες υδρογόνου [37]. 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 3.1) Εισαγωγή στην αποθήκευση του υδρογόνου Η αποθήκευση του υδρογόνου μπορεί να γίνει είτε με την μορφή του αερίου υπό πίεση, είτε ως υγρό. Η πίεση του υδρογόνου λόγω της μικρότερης ενεργειακής του πυκνότητας, πρέπει να είναι πολύ υψηλή ( bar για τις δεξαμενές των αυτοκινήτων υδρογόνου) συγκριτικά με την αντίστοιχη του προπανίου (200 bar). Αυτό συνεπάγεται αυξημένους κινδύνους και πολύ μεγάλο κόστος (κόστος ασφάλειας, συμπίεσης, δεξαμενών). Στο σχήμα 3.1 φαίνονται οι διάφοροι τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου και το προβλεπόμενο κόστος τους. Σχήμα 3.1: Κόστος και χωρητικότητα των διαφόρων μεθόδων αποθήκευσης υδρογόνου[39]. Έχουν προταθεί, κυρίως για λόγους ασφάλειας, μέθοδοι αποθήκευσης υδρογόνου σε στερεά μορφή. Η επικρατέστερη είναι η μέθοδος αποθήκευσης με υδρίδια μετάλλου. Ωστόσο, σήμερα είναι εφικτή μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες και έχει πολύ μεγάλο κόστος και πολύ μικρή πυκνότητα ενέργειας ανά μονάδα βάρους. Οι περισσότερες τεχνολογίες μεταφοράς Η 2 που χρησιμοποιούνται στη χημική και πετρελαιοχημική βιομηχανία είναι ιδιαίτερα ακριβές για χρήση τους σε ενεργειακές εφαρμογές. Το Η 2 όντας ελαφρύτερο χημικό στοιχείο έχει πολύ μικρό ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα όγκου αλλά περιέχει περισσότερη ενέργεια κατά βάρος από κάθε άλλη ουσία. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (20⁰C, 1 atm) 1 kg υδρογόνου καταλαμβάνει όγκο 11 m 3. Οι βασικότερες απαιτήσεις που προκύπτουν για την αποθήκευση του Η 2 -κυρίως για κινητές εφαρμογές (οχήματα)- είναι οι ακόλουθες 1. Υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο υδρογόνου ανά μονάδα όγκου, λόγω περιορισμένου χώρου και βάρους, ιδίως στην αυτοκινητοβιομηχανία. 2. Απαίτηση για λειτουργία σε χαμηλές πιέσεις για λόγους ασφαλείας. 3. Εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας από -50 C ως 150 C. 48

49 4. Υψηλούς ρυθμούς φόρτισης και από-φόρτισης του υδρογόνου για εφοδιασμό των οχημάτων σε σύντομους χρόνους. 5. Σχετικά χαμηλό κόστος του συστήματος αποθήκευσης. Μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν συστήματα αποθήκευσης υδρογόνου που να ανταποκρίνονται σε όλες τις παραπάνω απαιτήσεις. Οι σύγχρονες εμπορικά εφαρμόσιμες τεχνολογίες αποθήκευσης Η 2 έχουν επικεντρωθεί σε δοχεία υψηλής πίεσης ( bar) ή σε υγρό υδρογόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (20-30 Κ). Η αποθήκευση του υδρογόνου σε εξαντλημένους ταμιευτήρες υδρογονανθράκων αποτελεί μια πιθανή εναλλακτική λύση, αποδοτική σε κόστος, αλλά μόνο για στατικές εφαρμογές. Η χρήση προηγμένων υλικών για την αποθήκευση του υδρογόνου που περιλαμβάνουν προσροφητές, μεταλλικά και χημικά υδρίδια κλπ, μπορεί να αποτελέσει μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση, ωστόσο, η ανάγκη για μεγάλες ποσότητες των υλικών αυτών σε συνδυασμό με το κόστος καθώς και ζητήματα αντιστρεπτότητας και κυκλικής σταθερότητας περιορίζουν προς το παρόν την παραπάνω μέθοδο σε εφαρμογές μικρής κλίμακας ) Αποθήκευση με συμπίεση Η αποθήκευση συμπιεσμένου υδρογόνου (Compressed Gas Hydrogen - CGH 2 ) αποτελεί διαθέσιμη τεχνολογία αποθήκευσης. Είναι η πιο κοινή μέθοδος αποθήκευσης. Το υδρογόνο πρέπει να συμπιεστεί σε πολύ υψηλές πιέσεις ώστε να αποθηκευτεί επαρκής ποσότητα σε περιορισμένο όγκο, ένα πρόβλημα που συναντάται ιδιαίτερα σε κινητές εφαρμογές. Αυτό συνεπάγεται δαπάνη μεγάλων ποσών ενέργειας αυξάνοντας το κόστος λειτουργίας της διαχείρισης. Δοχεία πίεσης έως 700 bar μπορούν να πετύχουν πυκνότητα αποθήκευσης ~6% wt. και 30 g/lt, αλλά απαιτούν τη χρήση ακριβών σύνθετων υλικών. Συνήθως, χρησιμοποιούνται φιάλες κατασκευασμένες από κράματα αλουμινίου ενισχυμένες με συνθετικά υλικά. Ο συνδυασμός ποικιλίας διαφορετικών υλικών αυξάνει σημαντικά το κόστος του δοχείου αποθήκευσης. Ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήματα της αποθήκευσης συμπιεσμένου υδρογόνου (CGH 2 ) είναι ότι αποτελεί μία σχετικά απλή και ταχεία διαδικασία, αφού ο εφοδιασμός της δεξαμενής ενός οχήματος μπορεί να ολοκληρωθεί μέσα σε 3 λεπτά. Εξαιτίας αυτών των πλεονεκτημάτων, η μέθοδος CGH 2 εφαρμόζεται σε πολλά πρωτότυπα οχήματα με κυψέλες καυσίμου. Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα για τη συγκεκριμένη χρήση της μεθόδου είναι ο φόβος του κοινού για τα θέματα ασφαλείας που σχετίζεται με τις εξαιρετικά υψηλές πιέσεις των δοχείων υδρογόνου κατά τη λειτουργία ενός κοινού επιβατικού αυτοκινήτου αν και, αποτελέσματα δοκιμών έχουν δείξει ότι σύνθετα δοχεία που λειτουργούν σε πιέσεις των 700 bar είναι στην πραγματικότητα πιο ασφαλή από ότι τα δοχεία χαμηλής πίεσης που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία.[35],[36] α β Σχήμα 3.2:α Δοχείο που περιέχει συμπιεσμένο αέριο υδρογόνο β: Έργο Συμπίεσης Αερίων- σύγκριση Η 2 με το ήλιο και το μεθάνιο[35]. 49

50 3.1.2) Αποθήκευση με υγροποίηση Η πλέον αποδεκτή λύση σήμερα για την αποθήκευση του υδρογόνου είναι σε υγρή μορφή (LH 2 ). Υγρό υδρογόνο αποθηκεύεται σε ατμοσφαιρική πίεση σε κρυογονικές δεξαμενές σε θερμοκρασία 20,3 K με πυκνότητα 70,8 g/lt, η οποία είναι σχεδόν διπλάσια της πυκνότητας του συμπιεσμένου υδρογόνου στα 700 bar. Μία κρυογονική δεξαμενή 68 lt μπορεί να περιέχει περίπου 5 kg LH 2, το οποίο είναι επαρκές για να κινήσει ένα επιβατικό αυτοκίνητο για απόσταση 500 km. Δεξαμενές LH 2 μπορούν να πληρωθούν σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα και είναι πολύ πιο ασφαλείς σε κρυογονικές θερμοκρασίες από ότι οι υψηλής πίεσης δεξαμενές υδρογόνου. Το κύριο μειονέκτημα της αποθήκευσης υγροποιημένου υδρογόνου είναι η υψηλή κατανάλωση ενέργειας που σχετίζεται με τις διαδικασίες ρευστοποίησης και τη συνεχή «εξάτμιση» κατά την αποθήκευση (Εικόνα 3.3β). Πριν τη ρευστοποίηση, το υδρογόνο πρέπει να καθαριστεί για την απομάκρυνση των αερίων CO 2, CO, CH 4, και H 2 O (υγρασία), με μία διαδικασία προσρόφησης με εναλλαγή της πίεσης (PSA). Ο απλούστερος κύκλος ρευστοποίησης είναι ο κύκλος Joule Thomson στον οποίο το αέριο υδρογόνο αρχικά συμπιέζεται σε υψηλές πιέσεις (p 40 bar) και στη συνέχεια εκτονώνεται σε χαμηλότερη πίεση μέσω ενός ακροφύσιου ή μίας βαλβίδας στραγγαλισμού, σε αδιαβατικές συνθήκες, παράγοντας υγρό. Το ψυχρό αέριο διαχωρίζεται από το υγρό και επιστρέφει στο συμπιεστή μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας. Η διαδικασία υγροποίησης του υδρογόνου απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας -περίπου το 30-40% του ενεργειακού περιεχομένου του αερίου- και για το λόγο αυτό μειώνει σημαντικά τη συνολική απόδοση του συστήματος. Σημαντικό πρόβλημα αποτελεί το γεγονός ότι οι χαμηλές θερμοκρασίες λειτουργίας συγκρινόμενες με τις περιβαλλοντικές συνθήκες θερμοκρασίας 300 Κ, οδηγούν σε ατμοποίηση του περιεχόμενου υδρογόνου, οπότε απαιτείται τέλεια θερμική μόνωση της δεξαμενής και αποθήκευση του καυσίμου για μεγάλες χρονικές περιόδους [35],[36]. (α) (β) 50 Εικόνα 3.3: (α)κρυογονική δεξαμενή αποθήκευσης υγρού υδρογόνου. (β) Ενέργεια υγροποίησης υδρογόνου[39] 3.1.3) Αποθήκευση του υδρογόνου σε προηγμένα υλικά. Μια εναλλακτική λύση αποθήκευσης υδρογόνου αποτελεί η αποθήκευση υδρογόνου σε προηγμένα στερεά υλικά που λειτουργούν ως μικρό-δεξαμενές αποθήκευσης του υδρογόνου σε ατομική ή μοριακή μορφή. Αυτή η μέθοδος αποθήκευσης αναφέρεται και ως μέθοδος αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου διότι το υδρογόνο αποτελεί μέρος του στερεού υλικού μέσω φυσικοχημικών δεσμών. Υπάρχουν δύο θεμελιώδεις μηχανισμοί αποθήκευσης στερεού υδρογόνου με αντιστρεπτό τρόπο: η απορρόφηση και η προσρόφηση. Στην απορρόφηση το υδρογόνο απορροφάται από

51 τον κύριο όγκο του υλικού που δρα ως σπόγγος. Σε απλά κρυσταλλικά μεταλλικά υδρίδια η απορρόφηση λαμβάνει χώρα με την ενσωμάτωση του υδρογόνου σε ατομική μορφή στις ενδόθετες θέσεις του κρυσταλλικού πλέγματος μέσα από μια σειρά σταδίων. Η προσρόφηση από την άλλη μεριά λαμβάνει χώρα μέσα από την αλληλεπίδραση των μορίων του υδρογόνου με τα τοιχώματα των πόρων του προσροφητικού υλικού και διακρίνεται σε φυσική και χημική ρόφηση ανάλογα με τις δυνάμεις προσρόφησης που λαμβάνουν χώρα σε κάθε περίπτωση. Ένας τρίτος μηχανισμός αποθήκευσης «στερεού» υδρογόνου λαμβάνει χώρα μέσω χημικών. Η αποθήκευση στερεού υδρογόνου παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα από την άποψη της ασφάλειας δεδομένου ότι απαιτούνται ηπιότερες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας σε σχέση με τις μεθόδους συμπιεσμένου και υγροποιημένου υδρογόνου, αντίστοιχα. Τα υλικά που αναπτύσσονται οφείλουν να ικανοποιούν τους στόχους της ελάχιστης χωρητικότητας 6,5% wt. και 65 g/lt σε υδρογόνο, σε θερμοκρασίες μεταξύ 60 και 120 C και πιέσεις μικρότερες από 150 bar για εμπορικές εφαρμογές. Επιπλέον το κόστος του υλικού αποθήκευσης πρέπει να μην είναι υψηλό για να μπορεί η μέθοδος αποθήκευσης να είναι ανταγωνιστική με τις συμβατικές τεχνολογίες [35] ) Προσροφητικά υλικά Η αποθήκευση του υδρογόνου μέσω προσρόφησης σε σχετικά χαμηλές πιέσεις ( 150 bar) και θερμοκρασία δωματίου παρέχει το πλεονέκτημα της αυξημένης ασφάλειας σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες όπου απαιτείται είτε πολύ υψηλή πίεση είτε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Το γεγονός ότι το υδρογόνο έχει πολύ χαμηλό κανονικό σημείο βρασμού και κρίσιμη θερμοκρασία (20.3 K και K αντίστοιχα) αποκλείει τη δυνατότητα συμπύκνωσης στους πόρους ενός προσροφητικού υλικού σε συνήθεις θερμοκρασίες. Συνεπώς, η φυσική ρόφηση συμβαίνει λόγω δυνάμεων van der Waals με το σχηματισμό μονομοριακής στοιβάδας στην επιφάνεια των πόρων του υλικού. Για μονομοριακή κάλυψη στους 77 K το προσροφημένο ποσό υδρογόνου αυξάνει γραμμικά με την ειδική επιφάνεια των προσροφητικών υλικών. Ανθρακούχα προσροφητικά υλικά (ενεργοί άνθρακες, νανοσωλήνες και νανοΐνες άνθρακα, κ.ά.) υλικά δεν θεωρούνται ικανά μέσα αποθήκευσης υδρογόνου για εμπορικές εφαρμογές εκτός εάν η μονάδα αποθήκευσης λειτουργεί σε θερμοκρασίες μικρότερες των 80 K, ή/και πιέσεις μεγαλύτερες των 150 bar, συνθήκες απαγορευτικές για κινητές εφαρμογές.[35] ) Αποθήκευση σε CNTs Εικόνα 3.4: Προσρόφηση υδρογόνου σε καρβονικούς νανοσωλήνες με χρήση της τεχνικής προσομοίωσης Monte Carlo [36]. Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος που όμως, βρίσκεται σε πρώιμο ερευνητικό στάδιο, είναι η αποθήκευση του υδρογόνου σε νανοσωλήνες άνθρακα [36]. Υπάρχουν δύο τρόποι 51

52 αποθήκευσης του υδρογόνου στους καρβονικούς νανοσωλήνες: είτε αποθήκευση υπό πίεση bar (πίεση σημαντικά μικρότερη από τις απαιτούμενες πιέσεις στις προηγούμενες μεθόδους), είτε αποθήκευση με ηλεκτροχημική μέθοδο κυκλικής φόρτισης και εκφόρτισης. Το υδρογόνο αποθηκεύεται στις εσωτερικές και εξωτερικές επιφάνειες των νανοσωλήνων. Όσο αυξάνει η διάμετρος των μονοφλοιϊκών νανοσωλήνων τόσο αυξάνει και η χωρητικότητά τους σε άτομα υδρογόνου (κάτι που δεν ισχύει και για τους πολυφλοιϊκούς).[36] α) β) γ) Εικόνα 3.5: (α) μονοφλοιϊκός νανοσωλήνας (β) πολυφλοιϊκός νανοσωλήνας (γ) συστοιχία νανοσωλήνων [38] ) Αποθήκευση του υδρογόνου σε μέταλλα και κράματα μετάλλων. Πρόκειται για μια σχετικά πρόσφατη μέθοδο αποθήκευσης του υδρογόνου. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, το υδρογόνο αποθηκεύεται στη μάζα διαφόρων «καθαρών» μετάλλων ή κραμάτων σχηματίζοντας σύνθετα μεταλλικά σώματα, τα λεγόμενα υδρίδια μετάλλων. Τα υδρίδια μετάλλων δρουν σαν σε ένα σφουγγάρι που απορροφά νερό. Δίνονται οι αντιδράσεις σχηματισμού των υδριδίων μετάλλων από «καθαρά» μέταλλα (αντίδραση 3.1) και μεταλλικά κράματα (αντίδραση 3.2) [39]: A + H 2 ΑH 2 + heat (3.1) AB n + mh 2 AB n H 2m + heat (3.2) Όπου: Α: είναι το μέταλλο που απορροφά το υδρογόνο: RE, Ti, Zr, Mg, Ca. Β: Fe, Ni, Co, Mn. Κατά το σχηματισμό των υδριδίων των μετάλλων, τα μόρια του υδρογόνου διαχωρίζονται και τα άτομα του υδρογόνου προσαρτώνται μέσα στα κενά ανάμεσα στο πλέγμα των κατάλληλων μετάλλων ή των κραμάτων (Σχήμα 3.6). Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μια αποτελεσματική αποθήκευση συγκρίσιμη σε χωρητικότητα με αυτή του υγρού υδρογόνου. Ωστόσο, όταν η μάζα του μετάλλου ή του κράματος λαμβάνεται υπόψη, ο ποσοτικός προσδιορισμός των υδριδίων των μετάλλων είναι ανάλογος της πυκνότητας (χωρητικότητας) του υδρογόνου υπό πίεση. Η χωρητικότητα που συνήθως επιτυγχάνεται είναι γύρω στα 0,01 0,02 kg H2 ανά kg μετάλλου. Για μεγάλης θερμοκρασίας υδρίδια (υδρίδια τελευταίας γενιάς), έχουν επιτευχθεί και μεγαλύτερες τιμές χωρητικότητας, οι οποίες κυμαίνονται γύρω στα 0,07-0,1 kg H 2 ανά kg μετάλλου (π.χ. για το MgH 2 ). Αν και το ποσοστό του αερίου υδρογόνου που απορροφάται στον βαθμό του μετάλλου είναι ακόμη σχετικά χαμηλό, τα υδρίδια προσφέρουν μια αξιόπιστη λύση για την αποθήκευση του υδρογόνου [41]. 52

53 Σχήμα 3.6: Σχηματισμός υδριδίων μετάλλων. [38] α) β) γ) Εικόνα 3.7: (α) Εξαϋδρίτης χλωριούχου νικελίου (β) Υδρίδιο του λιθίου (γ) Σχηματική αναπαράσταση μεταλλικού υδριδίου[38] Για να ανακτηθεί το υδρογόνο από το μεταλλικό πλέγμα που έχει αποθηκευτεί, είναι απαραίτητη η προσφορά θερμότητας στη δεξαμενή αποθήκευσης. Η ταχύτητα της διαδικασίας αποθήκευσης του υδρογόνου σε «καθαρά» μέταλλα και κράματα μετάλλων εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες, όπως τη δομή του μετάλλου, την καθαρότητα, την παρουσία καταλυτών, την αργή απομάκρυνση της εκλυόμενης θερμότητας. Τα υδρίδια μετάλλων προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της ασφαλούς μεταφοράς υδρογόνου κάτω από συνεχή πίεση. Ένα σοβαρό, για παράδειγμα, ατύχημα σε δεξαμενή υδριδίων (π.χ. πρόσκρουση) δε θα προκαλέσει κίνδυνο πυρκαγιάς εφόσον το υδρογόνο παραμείνει στη μεταλλική δομή. Ακόμα, η διάρκεια ζωής του δοχείου αποθήκευσης μεταλλικών υδριδίων είναι άμεσα συνδεδεμένη με την καθαρότητα του υδρογόνου όταν αποθηκεύεται. Τα κράματα δρουν σαν σφουγγάρι, τα οποία απορροφούν υδρογόνο, αλλά επίσης απορροφούν κάθε ρύπο που εισάγεται στο δοχείο μέσω του υδρογόνου. Το αποτέλεσμα είναι το υδρογόνο που απελευθερώνεται από το δοχείο να είναι εξαιρετικά καθαρό, αλλά η διάρκεια ζωής του δοχείου και η ικανότητα να αποθηκεύει υδρογόνο να μειώνεται, καθώς οι ρύποι μένουν και γεμίζουν τα κενά στο μέταλλο, τα οποία κατείχε το υδρογόνο. 53

54 Ο Πίνακας 3.1 δείχνει τα διάφορα υδρίδια που χρησιμοποιούνται σήμερα σαν αποθηκευτικά μέσα. Πίνακας 3.1 Υδρίδια ως αποθηκευτικά μέσα Η2.. [41] Μέσο Περιεκτικότητα σε Η2 (kg/kg) Πυκνότητα ενέργειας (kj/kg) MgH Mg 2 NiH VH FeTiH 1, TiFe 0,7 Mg 0,2 H 1, LaNi 5 H 7, R.E.Ni 5 H 6, ) Σχηματισμός μεταλλικών υδριδίων κατά την προσρόφηση του 54 υδρογόνου μέσα σε «καθαρά» μέταλλα. Κατά την έναρξη της απορρόφησης του υδρογόνου μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα του συστήματος μετάλλου-υδρογόνου (Μ-Η), δημιουργείται στο εσωτερικό αυτού ένα στερεό διάλυμα, το οποίο ονομάζεται διάλυμα παρεμβολής (interstitial solid solution). Στο διάλυμα αυτό, το υδρογόνο καταλαμβάνει τυχαίες ενδοπλεγματικές θέσεις μέσα στο «καθαρό» μέταλλο. Η θερμοδυναμική φάση από την οποία τότε διέρχεται το σχηματιζόμενο σύστημα Μ-Η ονομάζεται α-φάση. Η αντίδραση σχηματισμού δίνεται από τη σχέση: M + ch2 MHc (3.3) Όπου με c συμβολίζεται ο λόγος της συγκέντρωσης των ατόμων υδρογόνου της α- φάσης του σχηματιζόμενου συστήματος M-H, προς την συγκέντρωση των ατόμων του «καθαρού» μετάλλου στο σύστημα αυτό. Για όλες τις τιμές των θερμοκρασιών που είναι μικρότερες από μία μέγιστη τιμή (Τ < Τ c ) και για όλες τις τιμές των λόγων [H] / [M] ( συγκέντρωση υδρογόνο / συγκέντρωση «καθαρού» μετάλλου) που είναι μεγαλύτεροι από μία συγκεκριμένη τιμή του λόγου [H] / [M] (η οποία αντιστοιχεί στη θερμοκρασία Τ, στο εσωτερικό του συστήματος M-H αρχίζει σταδιακά να δημιουργείται μια νέα θερμοδυναμική φάση. Η νέα αυτή θερμοδυναμική φάση σχηματίζεται βαθμιαία από την αρχική α-φάση και περιγράφεται σαν α'-φάση. Ο σταδιακός σχηματισμός της α - φάσης οφείλεται στην αυξανόμενη αστάθεια που παρουσιάζει η α-φάση, όσο ο λόγος των συγκεντρώσεων [Η] / [Μ] γίνεται μεγαλύτερος στο εσωτερικό του συστήματος Μ-Η. Η α -φάση συνεχίζει να συνυπάρχει με την αρχική α-φάση, έως ότου η αρχική φάση μετασχηματιστεί πλήρως σε αυτή. Η α -φάση αποτελεί και το «πραγματικό» μεταλλικό υδρίδιο. Η μέγιστη θερμοκρασία Tc, μετά από την οποία ξεκινάει σταδιακά ο σχηματισμός της α -φάσης του συστήματος Μ-Η, ονομάζεται και κρίσιμη θερμοκρασία

55 (critical temperature) του συστήματος αυτού. Η θερμοκρασία αυτή διαφέρει ανάλογα με το μέταλλο του κάθε συστήματος. Οι σχηματιζόμενες φάσεις α και α δεν κρυσταλλώνονται υποχρεωτικά και οι δύο στην ίδια κρυσταλλική δομή. Για παράδειγμα, ενώ στο υδρίδιο του παλλαδίου (Pd-H), οι φάσεις α και α κρυσταλλώνονται οπωσδήποτε στην (f.c.c.) κρυσταλλική δομή, στο υδρίδιο του τιτανίου (Ti-H) η τελική φάση κρυσταλλώνεται στην (f.c.c.) κρυσταλλική δομή, ενώ η αρχική φάση-α κρυσταλλώνεται στην (b.c.c.) κρυσταλλική δομή. Για το λόγο αυτό, η δεύτερη κατά σειρά θερμοδυναμική φάση που σχηματίζεται στο εσωτερικό των συστημάτων Μ-Η αναφέρεται και με την ονομασία της β-φάσης. Η γενική αντίδραση σχηματισμού της β- φάσης ενός συστήματος «καθαρού» μετάλλου-υδρογόνου δίνεται από τη σχέση: Όπου με c α παριστάνεται η συγκέντρωση της αρχικής α-φάσης του αντίστοιχου μεταλλικού υδριδίου που σχηματίζεται και με c β η συγκέντρωση της τελικής β-φάσης. Στο Σχήμα 3.8 που ακολουθεί, απεικονίζεται το διάγραμμα ισόθερμης μεταβολής της πίεσης peq στο χώρο της μάζας ενός τυχαίου υδριδίου «καθαρού» μετάλλου κατά την απορρόφηση του υδρογόνου στο εσωτερικό του. Η απεικόνιση αυτή, γίνεται σε συνάρτηση με τη μεταβολή του λόγου των συγκεντρώσεων [H/M], καθώς διέρχεται από τις θερμοδυναμικές φάσεις α και β. Η πίεση p eq του διαγράμματος ισούται θεωρητικά με την εξωτερική πίεση που πρέπει να ασκείται συνεχώς στο υδρογόνο, καθώς αυτό αποθηκεύεται στη μάζα του αντίστοιχου τυχαίου μεταλλικού υδριδίου: 55 Σχήμα 3.8:Διάγραμμα πίεσης-συγκέντρωσης του υδρογόνου κατά την αποθήκευσή του σε μεταλλικό υδρίδιο.[41] Από το παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε ότι στην περιοχή της α-θερμοδυναμικής φάσης, η μεταβολή της πίεσης p eq στο εσωτερικό του αντίστοιχου μεταλλικού υδριδίου μεταβάλλεται εκθετικά με το λόγο [Η/Μ]. Ομοίως και στην περιοχή της β-θερμοδυναμικής φάσης. Στην περιοχή, όμως, συνύπαρξης και των δύο θερμοδυναμικών φάσεων α και β, η μεταβολή της πίεσης p eq είναι μηδενική, δηλαδή στην περιοχή αυτή η πίεση peq παραμένει σταθερή. Η πίεση p eq είναι διαφορετική από την πίεση που απαιτείται κατά την αποσύνθεση του κάθε μεταλλικού υδριδίου, δηλαδή κατά την ανάκτηση της ποσότητας του υδρογόνου που έχει αποθηκευτεί σ αυτό. Η δεύτερη αυτή πίεση είναι πάντα μικρότερη της πρώτης. Αυτό συμβαίνει, γιατί η πυκνότητα του αντίστοιχου μεταλλικού υδριδίου που σχηματίζεται είναι

56 πάντα μεγαλύτερη από αυτή του αντίστοιχου «καθαρού» μετάλλου του, αφού στο εσωτερικό του έχει αποθηκευτεί ορισμένη ποσότητα υδρογόνου. Έτσι, η τελική του β-φάση ασκεί (αρκετά μεγάλες) πιέσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα του «καθαρού» μετάλλου, με αποτέλεσμα από το «καθαρό» μέταλλο να ασκούνται ίσες και αντίθετες πιέσεις προς αυτήν. Οι αντίθετες αυτές πιέσεις έχουν σαν συνέπεια το υδρογόνο να απωθείται από τη μάζα του μεταλλικού υδριδίου, με αποτέλεσμα να διευκολύνεται η απομάκρυνση του υδρογόνου από το εσωτερικό αυτού (δηλαδή να απαιτούνται μικρότερες πιέσεις για την απομάκρυνση του υδρογόνου σε σχέση με αυτές που απαιτούνται κατά την αποθήκευσή του). Το φαινόμενο των μειωμένων πιέσεων κατά την απομάκρυνση του υδρογόνου από την μάζα ενός μεταλλικού υδριδίου, ονομάζεται φαινόμενο υστέρησης (hysteresis phenomenon) (Σχήμα 3.9). Σχήμα 3.9:.Το φαινόμενο της υστέρησης κατά την απορρόφηση και την εκρόφηση του υδρογόνου από τα υδρίδια.[42] ) Σύμπλοκα υδρίδια μετάλλων (ή υδρίδια των μεταλλικών κραμάτων). Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο, το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί και σε κράματα μετάλλων. Στην περίπτωση αυτή, τα σχηματιζόμενα μεταλλικά υδρίδια ονομάζονται σύμπλοκα υδρίδια μετάλλων ή υδρίδια μεταλλικών κραμάτων (complex metal hydribes). Τα σύμπλοκα μεταλλικά υδρίδια ταξινομούνται σε δύο μεγάλες κατηγορίες[43]. Στα σύμπλοκα μεταλλικά υδρίδια που συγκροτούνται από το υδρογόνο και από διάφορα μέταλλα μεταπτώσεως (transition complex hydrides). Στα σύμπλοκα μεταλλικά υδρίδια που συγκροτούνται από το υδρογόνο και από διάφορα μέταλλα μη μεταπτώσεως (non transition complex metal hydrides). Στα «μέταλλα μεταπτώσεως» περιλαμβάνονται όλα εκείνα τα μεταλλικά στοιχεία που βρίσκονται μεταξύ των ΙΙ και ΙΙΙ ομάδων του περιοδικού πίνακα. Παραδείγματα τέτοιων μετάλλων αποτελούν ο Fe, το Mg, το Ni, το Mn και ο Cu. Κατά την αποθήκευση του υδρογόνου σε μεταλλικά κράματα μεταπτώσεως, τα σχηματιζόμενα σύμπλοκα μεταλλικά του υδρίδια περιγράφονται από τον τύπο: Μx(My Hz) (3.4) 56

57 Όπου με x, y παριστάνονται οι ατομικοί αριθμοί των μετάλλων μεταπτώσεως Μ, Μ αντίστοιχα, ενώ με z παριστάνεται ο ατομικός αριθμός με τον οποίο συμμετέχει το υδρογόνο στο σύστημα μεταλλικού κράματος-υδρογόνου. Χαρακτηριστικά παραδείγματα συμπλόκων μεταλλικών υδριδίων σχηματιζόμενα από μέταλλα μεταπτώσεως αποτελούν τα Mg 2 FeH 6 (σύμπλοκο υδρίδιο σιδήρου-μαγνησίου) και το MgNiH 4 (σύμπλοκο υδρίδιο νικελίουμαγνησίου). Από την άλλη, κατά την αποθήκευση του υδρογόνου σε κράματα μετάλλων μη μεταπτώσεως, τα σύμπλοκα μεταλλικά υδρίδια που προκύπτουν περιγράφονται από τον τύπο: 57 M (M H4)n (3.5) Όπου με n παριστάνεται ο ατομικός αριθμός του μετάλλου μη μεταπτώσεως Μ που συμμετέχει. Το δεύτερο μέταλλο μη μεταπτώσεως και το υδρογόνο συμμετέχουν με ατομικό αριθμό ίσο πάντα με 1. Χαρακτηριστικότερα παραδείγματα για αυτήν την κατηγορία μεταλλικών υδριδίων είναι το ΝαΑlH 4 (σύμπλοκο υδρίδιο αργιλίου-νατρίου) και το LiAlH 4 (σύμπλοκο υδρίδιο αργιλίου-λιθίου). Και οι δύο κατηγορίες σύμπλοκων μεταλλικών υδριδίων παρουσιάζουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: μπορούν (τουλάχιστον θεωρητικά) να αποθηκεύσουν αρκετά μεγάλες ποσότητες υδρογόνου στη μάζα τους. Για παράδειγμα, το σύμπλοκο μεταλλικό υδρίδιο ΝαΑlH 4 μπορεί, σύμφωνα με τον θεωρητικό χημικό του τύπο, να αποθηκεύσει στη μάζα του υδρογόνο το οποίο ανέρχεται μέχρι και στο 7,5% κ.β. της συνολικής του σύστασης ) Σταθερότητα των μεταλλικών υδριδίων (συμπλόκων και μη). Ένα στοιχείο που είναι σημαντικό για τον χαρακτηρισμό των υδριδίων είναι και η σταθερότητά τους, δεδομένου ότι διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην ευκολία με την οποία αυτά απορροφούν το υδρογόνο στη μάζα τους ή το αποβάλλουν από αυτή κατά την αντίστροφη διαδικασία της αποδέσμευσης. Στα σταθερά μεταλλικά υδρίδια η απορρόφηση του υδρογόνου πραγματοποιείται σχετικά εύκολα, σε αντίθεση με την αποδέσμευσή του που απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες. Από την άλλη μεριά, στα ασταθή μεταλλικά υδρίδια η αποδέσμευση του υδρογόνου πραγματοποιείται σχετικά εύκολα, ενώ η απορρόφησή του στη μάζα τους απαιτεί σχετικά υψηλές πιέσεις. Στην κατηγορία των σημαντικότερων σταθερών μεταλλικών υδριδίων ανήκουν τα μεταλλικά υδρίδια LiH, TiH 2, CαH 2, ZrH 2, ενώ στην κατηγορία των σημαντικότερων μη σταθερών μεταλλικών υδριδίων ανήκουν τα μεταλλικά υδρίδια AlH 3 και LiAlH 4. Οι πιέσεις απορρόφησης του υδρογόνου σε μη σταθερά μεταλλικά υδρίδια είναι συχνά τόσο υψηλές, ώστε η υδρογόνωση αυτών να επιτυγχάνεται μόνο μέσω διαφόρων ενδιάμεσων αντιδράσεων της. Αντίθετα, οι πιέσεις απορρόφησης του υδρογόνου σε σταθερά μεταλλικά υδρίδια συνήθως είναι μικρότερες από της πρώτες και ο σχηματισμός των σταθερών μεταλλικών υδριδίων επιτυγχάνεται με απευθείας δέσμευση αυτού στο εσωτερικό του κρυσταλλικού της πλέγματος. H ικανότητα των διαφόρων μεταλλικών υδριδίων να αποβάλλουν το απορροφημένο υδρογόνο από τη μάζα της αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση γι αυτά, προκειμένου να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν και στην πράξη για την αποθήκευσή του στη μάζα της. Για τον λόγο αυτό και οι διάφορες ερευνητικές προσπάθειες, που γίνονται σήμερα παγκοσμίως πάνω στην αποθήκευση του υδρογόνου, επικεντρώνονται ακριβώς σε αυτό το στοιχείο. Η αύξηση της αναστρεψιμότητας της αποθήκευσης του υδρογόνου στη μάζα των διαφόρων μεταλλικών υδριδίων επιτυγχάνεται: Μέσω της μείωσης της απαιτούμενης θερμοκρασίας αποδέσμευσης του υδρογόνου από τα μεταλλικά υδρίδια (περίπτωση σταθερών μεταλλικών υδριδίων). Μέσω της μείωσης της απαιτούμενης πίεσης απορρόφησης του υδρογόνου στα μεταλλικά υδρίδια (περίπτωση μη σταθερών υδριδίων).

58 Εικόνα 4.3: Εργαστηριακές Φιάλες Υδρογόνου της ΟVONIC [57] ) Αποθήκευση του υδρογόνου σε «καθαρά» νανοκρυσταλλικά μέταλλα και σε νανοκρυσταλλικά μεταλλικά κράματα. Πολλά μεταλλικά υδρίδια δεν αποτελούν ικανό μέσο αποθήκευσης (ή αποδέσμευσης) του υδρογόνου για τους ακόλουθους λόγους: Δεν διαθέτουν υψηλή χωρητικότητα σε υδρογόνο. Χαρακτηρίζονται από χαμηλούς κινηματικούς μηχανισμούς απορρόφησης ή αποδέσμευσης του υδρογόνου. Αντιδρούν σχετικά εύκολα με τον ατμοσφαιρικό αέρα σχηματίζοντας αλλεπάλληλα στρώματα από μεταλλικά οξείδια στο εξωτερικό τους. Τα στρώματα αυτά εμποδίζουν γενικά το υδρογόνο να εισέλθει στη μάζα τους ή να εξέλθει από αυτή, με αποτέλεσμα να πρέπει αρχικά να «ενεργοποιηθούν» πριν την αποθήκευση ή την αποδέσμευσή του. Παρουσιάζουν αλλοιώσεις στη σύσταση της μάζας τους κατά τους συνεχείς κύκλους υδρογόνωσης και αφυδρογόνωσής τους. Ωστόσο, παρά τις δυσκολίες που παρουσιάζουν τα μεταλλικά υδρίδια ως μέσο αποθήκευσης ή αποδέσμευσης του υδρογόνου, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτερωθεί το ενδιαφέρον για αυτά. Αυτό οφείλεται στην κοινή πλέον διαπίστωση ότι η βελτίωση της ταχύτητας απορρόφησης και αποδέσμευσης, της διάχυσης υδρογόνου στο μέταλλο, της σταθερότητας των υδριδίων και γενικότερα της δυνατότητας αποθήκευσης του υδρογόνου μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση νανοδομημένων μεταλλικών υδριδίων και νανοκαταλυτών [39]. 58

59 Σχήμα 4.5:Τομή φιάλης υδρογόνου[40] Σχήμα 4.5: Εσωτερική δομή φιάλης υδρογόνου.[40] 59

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 4.1) Εισαγωγή στις κυψέλες καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που μετατρέπουν την χημική ενέργεια του καυσίμου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Επειδή τα ενδιάμεσα στάδια της παραγωγής θερμότητας και του μηχανικού έργου αποφεύγονται η απόδοση των KK δεν περιορίζεται από την απόδοση του θερμοδυναμικού κύκλου Carnot. Έτσι επιτυγχάνονται υψηλότερες αποδόσεις και επομένως μειωμένοι ρύποι και μειωμένο κόστος καυσίμου. Ο ηλεκτρισμός παράγεται με τη μορφή συνεχούς ρεύματος. Τα βασικά μέρη μιας κυψέλης καυσίμου είναι ο ηλεκτρολύτης, ο οποίος είναι ικανός να επιτρέπει σε ιόντα να διαπερνούν τα ηλεκτρόδια (άνοδος και κάθοδος) τα οποία κατασκευάζονται από πορώδη αγώγιμα υλικά με στόχο την διάχυση του καυσίμου (πχ Υδρογόνου) και της οξειδωτικής ουσίας καθώς και την αγωγή των ηλεκτρονίων [44]. Οι λειτουργίες του ηλεκτρολύτη είναι να διευκολύνει την ηλεκτροχημική αντίδραση, να επιτρέπει στα ιόντα, είτε θετικά είτε αρνητικά, ανάλογα με το είδος της κυψέλης να τον διαπερνούν, να διευκολύνει την μεταφορά των αντιδρώντων ουσιών από και προς τα ηλεκτρόδια και ταυτόχρονα να αποτελεί ένα φυσικό εμπόδιο που να αποτρέπει την απευθείας ανάμειξη του καυσίμου με την οξειδωτική ουσία. Οι λειτουργίες των ηλεκτροδίων είναι να παρέχουν την επιφάνεια στην οποία πραγματοποιείται η ηλεκτροχημική αντίδραση, να παρέχουν ηλεκτρική σύνδεση με το φορτίο, να μοιράζουν τις ουσίες που αντιδρούν ομοιόμορφα και να οδηγούν τα προϊόντα της αντίδρασης στην έξοδο της ΚΚ. Για τους παραπάνω λόγους κατασκευάζονται από πορώδη αγώγιμα υλικά [45]. Το fuel cell μπορεί να συγκριθεί με μία μπαταρία, η οποία μπορεί να επαναφορτίζεται όταν καταναλώνουμε ισχύ από αυτή. Σαν αποτέλεσμα τα fuel cells μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία διαφορετικών ηλεκτρικών εφαρμογών, όπως κομπιούτερ, αυτοκίνητα, γεννήτριες ισχύος, τόσο οικιακές όσο και βιομηχανικού μεγέθους και άλλα μικρά ηλεκτρονικά. 60

61 Εικόνα 4:Εργαστηριακή Μονάδα Fuel Cell [52] 4.1.1) Αρχή λειτουργίας Όλα τα fuel cells μπορούν να αναπαρασταθούν με την ιδέα μιας ανόδου και μιας καθόδου. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.1 ένα fuel cell αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, μία άνοδο και μία κάθοδο. Η άνοδος που είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο, και η κάθοδος, το θετικό ηλεκτρόδιο, βρίσκονται τοποθετημένα το ένα απέναντι από το άλλο και γύρω από έναν ηλεκτρολύτη, ο οποίος λέγεται αλλιώς μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (proton exchange membrane, PEM). Η μεμβράνη αυτή άγει μόνο θετικά ιόντα. Υπάρχει επίσης ένας καταλύτης, ο οποίος χρησιμοποιείται για να επιταχύνει τη διαδικασία της αντίδρασης, χωρίς να επηρεάζει την άνοδο ή την κάθοδο. Ο καταλύτης είναι συνήθως μια σκληρή και πορώδης σκόνη που καλύπτει χαρτί άνθρακα ή ύφασμα έτσι ώστε η μέγιστη δυνατή επιφάνεια να είναι εκτεθειμένη στο υδρογόνο ή στο οξυγόνο. Αυτός ο συγκεκριμένος τύπος fuel cell που παρουσιάστηκε στο σχήμα 4.1 ονομάζεται πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης (polymer electrolytic membrane PEM). Στο σχέδιο 3.2, αέριο υδρογόνο τροφοδοτείται στην άνοδο και αέριο οξυγόνο στην κάθοδο. Αντιδρώντας στην πίεση τους, τα άτομα υδρογόνου εξαναγκάζονται να περάσουν στον καταλύτη. Από τη στιγμή που θα έρθει σε επαφή με τον καταλύτη το υδρογόνο σχηματίζει δύο ιόντα υδρογόνου και δύο ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια, τα θετικά φορτισμένα ιόντα και τα ηλεκτρόνια, τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα, μεταβαίνουν στην κάθοδο. Τα 61

62 ηλεκτρόνια, περνούν σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, δημιουργώντας μια ροή ρεύματος, που παρέχει ισχύ στο ηλεκτρικό φορτίο [44]. Σχήμα 4.1: Η βασική διάταξη ενός fuel cell [44]. Σχήμα 4.2: Παροχή ισχύος στο φορτίο μέσω fuel cell [44]. 62

63 Στην πλευρά της καθόδου, το αέριο οξυγόνο σπρώχνεται στον καταλύτη, όπως και το αέριο υδρογόνο και αυτό σχηματίζει δύο ιόντα υδρογόνου. Τα δύο ιόντα έχουν ισχυρό αρνητικό φορτίο και θα προσελκύσουν τα δύο θετικά ιόντα υδρογόνου και αυτό θα σχηματίσει νερό. Αυτό αποδεικνύεται από τις ακόλουθες χημικές εξισώσεις. Άνοδος: 2Η 2 => 4Η + + 4e - Κάθοδος: Ο 2 + 4Η + + 4e - => 2H 2 O Αντίδραση πλέγματος: 2Η 2 + Ο 2 => 2Η 2 Ο Αυτός ο τύπος fuel cell παράγει μόνο ένα μικρό ποσό τάσης, περίπου 0,7V. Για να αυξήσουμε την τάση σε ένα πιο ρεαλιστικό επίπεδο πολλά ξεχωριστά fuel cell πρέπει να τοποθετηθούν σε στοίβα, όπως στο σχήμα 4.3. Σχήμα 4.3: Στοίβα από fuel cell[47] Γενικά όταν δημιουργήσουμε μία στοίβα κυψελών καυσίμου, τότε η τάση εξόδου που παίρνουμε είναι συνήθως της τάξης των 20-50V και έτσι απαιτείται ένας μετατροπέας dc-dc για να ανυψώσει την τάση σε ένα επίπεδο, όπου στη συνέχεια με τη βοήθεια μετατροπέα θα μας δώσει εναλλασσόμενη τάση 50 Hz, 240V ac. Το μπλοκ διάγραμμα ενός συστήματος ισχύος βασισμένο σε fuel cell φαίνεται στο σχήμα

64 Σχήμα 4.4: Μπλοκ διάγραμμα συστήματος fuel cell [47]. 4.2) Τύποι των κυψελών καυσίμου και χρήσεις τους Υπάρχουν διαφορετικά είδη fuel cells αναλόγως του πρωτογενούς χρησιμοποιούμενου καυσίμου. Η επιλογή ενός συγκεκριμένου fuel cell μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία της μέγιστης δυνατής χρησιμότητας στην κατάσταση που χρησιμοποιείται, π.χ. αν αυτό χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει οχήματα, κοινωνίες ή εφαρμογές ) Alkaline fuel cells (AFC) Η αλκαλικότητα είναι ένας κοινός όρος που χρησιμοποιείται όταν μιλάμε για μπαταρίες. Το σχήμα 4.5 είναι στην πραγματικότητα, το αρχικό σχέδιο ενός fuel cell, που στην ουσία είναι μία μπαταρία. Αυτό πρωτοχρησιμοποιήθηκε από το Αμερικανικό Διαστημικό Πρόγραμμα για να παράγει ηλεκτρισμό και νερό για τους αστροναύτες. Τα αλκαλικά fuel cells λειτουργούν περίπου στους ο C, αλλά πρόσφατοι σχεδιασμοί έχουν αποδείξει ότι μπορούν να λειτουργήσουν και σε μικρότερες θερμοκρασίες, από 23 έως 70 ο C. Τα AFCs είναι κυψέλες καυσίμου πολύ υψηλής απόδοσης, κάτι που οφείλεται στη γρήγορη χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα στην κυψέλη. Τα AFCs έχουν λίγα πλεονεκτήματα, που τα έχουν ρίξει χαμηλά στη λίστα πιθανής εμπορικής και οικιακής χρήσης. Ένα μειονέκτημα είναι ότι είναι πολύ ευαίσθητα στο διοξείδιο του άνθρακα. Μια μικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα μπορεί να μολύνει την κυψέλη και έτσι να καταστραφεί ολόκληρη. Η διαδικασία του απολύμανσης είναι επίσης πολύ ακριβή, κάτι που θα μπορούσε να κάνει το αλκαλικό fuel cell να κοστίζει πολύ περισσότερο από την ενέργεια που παράγει. Ένα πλεονέκτημα είναι ότι αυτοί οι τύποι των fuel cell έχουν πολύ υψηλές επιδόσεις. Εξαιτίας αυτού, αγγίζουν ένα επίπεδο απόδοσης της τάξης του 60% [47]. 64

65 Σχήμα 4.5: Alkaline fuel cell (AFC) [47] ) Phosphoric-acid fuel cells (PAFC) Οι κυψέλες καυσίμου φωσφορικού οξέος (σχήμα 4.6) είναι από τις πιο καθιερωμένες και από τις πρώτες που χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά. Η τυπική χρήση για αυτόν τον τύπο είναι σε σταθμούς γεννητριών ισχύος, ωστόσο μερικά PAFC έχουν χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσουν μεγάλα οχήματα όπως αστικά λεωφορεία. Σχήμα 4.6: Phosphoric-acid fuel cell (PAFC) [47]. 65

66 Αυτό το είδος fuel cell έχει επίσης συγκεκριμένες ατέλειες, που καθιστά τη μαζική παραγωγή του ελαφρώς αβέβαιη. Είναι λιγότερο ισχυρά από υπόλοιπα fuel cell, αλλά έχουν το ίδιο βάρος και όγκο με αυτά, ενώ είναι και ακριβά. Απαιτούν ακόμη έναν ακριβό καταλύτη λευκόχρυσου, γεγονός που αυξάνει περαιτέρω το κόστος παραγωγής τους.. Ένα τυπικό PAFC κοστίζει μεταξύ $ $4500 ανά kw για να λειτουργήσει [47] ) Solid oxide fuel cells (SOFC) O σχεδιασμός των κυψελών καυσίμου στερεού οξειδίου (σχήμα 4.7) διαφέρει από το σχεδιασμό ενός τυπικού fuel cell. Εφόσον το SOFC είναι στερεό, δε χρειάζεται να κατασκευαστεί με τις τυπικές ρυθμίσεις των άλλων τύπων fuel cell. Το SOFC λειτουργεί σε πολύ υψηλή θερμοκρασία ώστε να μπορεί να παράγει ατμό που μπορεί να περιστρέψει τουρμπίνες, παράγοντας έτσι επιπρόσθετη ισχύ. Από τη χρήση του καταλύτη που είναι συνήθως φτιαγμένος από λευκόχρυσο βγάζει ένα πολύ ακριβό μέταλλο. Η μείωση όμως της επένδυσης του λευκόχρυσου μειώνει δραστικά το κόστος του fuel cell. Σχήμα 4.7: Solid oxide fuel cell (SOFC)[47]. Απ τη στιγμή που το SOFC λειτουργεί σε πολύ μεγάλες θερμοκρασίες, περίπου 1000 o C, υπάρχει μεγάλο ρίσκο για την ασφάλεια των εργαζομένων. Επειδή λειτουργεί σε μεγάλες θερμοκρασίες, το SOFC χρειάζεται αρκετή ώρα για να εκκινήσει. Ένα τμήμα του κόστους που αποφεύγεται από τη μη χρήση της επένδυσης λευκόχρυσου, ισοσταθμίζεται από τη χρήση ενός θερμικού καλύμματος, το οποίο χρησιμοποιείται για να διατηρεί τη θερμότητα και να προστατέψει το προσωπικό ) Molten carbonate fuel cells (MCFC) Οι κυψέλες καυσίμου λειωμένου ανθρακικού άλατος (σχήμα 4.8) είναι αρκετά διαφορετικές από τις υπόλοιπες. Τα MCFC αυτή τη στιγμή επεκτείνονται σε εφαρμογές με φυσικό αέριο και σε εργοστάσια παραγωγής ισχύος που λειτουργούν με άνθρακα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος, σε εμπορικές και στρατιωτικές εφαρμογές. Τα MCFC είναι fuel cells υψηλής θερμοκρασίας, που χρησιμοποιούν ένα 66

67 ηλεκτρολύτη φτιαγμένο από ένα μίγμα λειωμένου ανθρακικού άλατος που επικάθεται σε πορώδες, κεραμικό αργιλικό οξείδιο του λιθίου (LiAlO 2 ). Εφόσον λειτουργούν σε εξαιρετικά μεγάλες θερμοκρασίες, από 650 o C και πάνω, όπως τα SOFC, μπορούν να χρησιμοποιηθούν φτηνότερα μέταλλα από το λευκόχρυσο σαν καταλύτης στην άνοδο και την κάθοδο, κάτι που μειώνει το κόστος. Η βελτιωμένη απόδοση είναι ένας ακόμη λόγος που τα MCFC προσφέρουν μειώσεις στο κόστος έναντι των PAFC. Τα MCFC Μπορούν να φτάσουν το 60% σε απόδοση, που είναι πολύ μεγαλύτερο από το 37-42% απόδοσης των PAFC, που οφείλεται στις απώλειες θερμότητας. Αν αυτή η θερμότητα συγκρατηθεί και ξαναχρησιμοποιηθεί, μπορούμε να φτάσουμε τελικές αποδόσεις της τάξης του 85%. Σχήμα 4.8: Molten carbonate fuel cell (MCFC) [47] Σε αντίθεση με όλα τα προηγούμενα είδη τα MCFC δεν χρειάζονται εξωτερικό μετατροπέα για να μεταφέρει περισσότερο καύσιμο στο υδρογόνο. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών στις οποίες λειτουργούν, αυτά τα καύσιμα μετατρέπονται σε υδρογόνο μέσα στο fuel cell από μία διαδικασία που ονομάζεται εσωτερικός μετασχηματισμός. Αυτή η διαδικασία επίσης μειώνει το κόστος. Το μειονέκτημα των MCFC είναι η μικρή διάρκεια ζωής. Οι υψηλές θερμοκρασίες στις οποίες αυτά λειτουργούν καθώς και ο χρησιμοποιούμενος ηλεκτρολύτης επιταχύνουν την καταστροφή των υλικών και τη διάβρωση, κάτι που στην ουσία μειώνει τη διάρκεια ζωής του fuel cell. Στην παρούσα φάση βρίσκονται υπό δοκιμή υλικά που είναι πιο ανθεκτικά στη διάβρωση, για χρήση τους ως συστατικά των fuel cells έτσι ώστε να επεκταθεί η διάρκεια ζωής τους [47] ) Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) Το παράδειγμα που παρουσιάστηκε στην ενότητα σχετικά με το πώς δουλεύουν τα fuel cells, είναι με ένα fuel cell πολυμερούς ηλεκτρολυτικής μεμβράνης. Χρειάζονται μόνο υδρογόνο, οξυγόνο από τον αέρα και νερό για να λειτουργήσουν. Δεν απαιτούν διαβρωτικά ρευστά όπως κάποια άλλα είδη. Το καύσιμο τους συνήθως είναι το υδρογόνο που παρέχεται από αποθηκευτικές δεξαμενές. Αυτά τα fuel cell λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό τους επιτρέπει να εκκινούν γρήγορα, προκαλώντας λιγότερη φθορά και καταστροφή, παρέχοντας έτσι μεγαλύτερη μακροζωία. 67

68 Ένα μειονέκτημα είναι ότι ο καταλύτης είναι φτιαγμένος από λευκόχρυσο, που είναι πολύ ακριβός, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο το κόστος. Ο λευκόχρυσος είναι πολύ ευαίσθητος στο μονοξείδιο του άνθρακα και αυτό ίσως οδηγήσει στη χρησιμοποίηση άλλου υλικού για την αντίδραση μέσα στο fuel cell. Τα PEM επειδή είναι φτιαγμένα από ελαφρύ υλικό και μπορούν να χρησιμοποιούνται μέσα σε οχήματα (fuel cell vehicles FCVs). Αυτά τα οχήματα έχουν συνήθως ως καύσιμο αέριο υδρογόνο, κάτι όμως που δημιουργεί ορισμένες ανησυχίες. Είναι δύσκολο να διατηρηθεί μεγάλη ποσότητα υδρογόνου μέσα σε δεξαμενές διατηρημένες σε σταθερή ατμοσφαιρική πίεση, λόγω της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητάς του. Για ένα μέσο όχημα που κινείται με υδρογόνο πρέπει να ξαναγεμίζει την παροχή υδρογόνου του περίπου κάθε 482,80 χλμ. με 643,74 χλμ. (300 με 400 μίλια) [47]. 4.3) Σύγκριση των fuel cells Το σχήμα 4.9 δείχνει ένα PEM fuel cell δίπλα σε ένα MCFC που συζητήσαμε νωρίτερα. Σχήμα 4.9: Σύγκριση fuel cells [49]. Από τη σύγκριση των δύο σχημάτων, προκύπτει εύκολα η διαφορά τους. Το MCFC ανακυκλώνει το διοξείδιο του άνθρακα, κάτι που παράγει περισσότερη ισχύ, ενώ το PEM δεν ανακυκλώνει τίποτα. Το διάγραμμα του σχήματος 4.10 εξηγεί τις % αποδόσεις τεσσάρων τύπων fuel cell που συζητήθηκαν. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτές είναι οι μέγιστες αποδόσεις, όπως επίσης και το ότι αν και μια υψηλή απόδοση είναι πάντα πολύ θετική, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη και 68

69 άλλοι παράγοντες όπως η εκλυόμενη θερμότητα, η διάβρωση, το κόστος και η ασφάλεια του προσωπικού. Σχήμα 4.10: Συντελεστές απόδοσης των fuel cells Εκτός όμως από τα 5 αυτά είδη fuel cell που αναφέραμε και είναι τα βασικότερα, υπάρχουν και άλλα τα οποία είναι πολύ λιγότερο διαδεδομένα. Κάποια μάλιστα βρίσκονται ακόμη στα επίπεδα της έρευνας και δεν διατίθενται για εμπορική χρήση. Ακολουθεί στην επόμενη σελίδα, ένας πίνακας (πίνακας 4.1) με όλα τα είδη των κυψελών καυσίμων, όπου στην πρώτη στήλη δίνεται το όνομα του, στο δεύτερο ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιεί, στην τρίτη η ισχύς που μπορεί αυτό να παράγει, στην τέταρτη η θερμοκρασία λειτουργίας τους, στην Πέμπτη η ηλεκτρική απόδοση της κυψέλης αλλά και του συστήματος με στο οποίο λειτουργούν ενώ στην τελευταία βλέπουμε αν διατίθενται για εμπορική χρήση (commercial) ή βρίσκονται ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο [48]. 69

70 Πίνακας 4.1: Πίνακας με όλα τα είδη fuel cells και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους [46] 4.4) Εφαρμογές των fuel cells 4.4.1) Το εμπόριο αυτοκίνησης Όταν αναφέρεται ο όρος fuel cell, τότε η πρώτη εφαρμογή που έρχεται στο μυαλό είναι η αυτοκίνηση. Αυτή τη στιγμή σύμφωνα με το σύλλογο Μηχανικών Αυτοκίνησης, οι εταιρίες BMW, Renault και Delphi Automotive Systems συνεργάζονται για την ανάπτυξη μιας νέας τεχνολογίας με κυψέλες καυσίμου, που θα έχει εφαρμογή στη βιομηχανία της αυτοκίνησης. Το σύστημα θα αναπτυχθεί έτσι ώστε να λειτουργεί με ντίζελ αλλά και με βενζίνη, γεγονός που θα επεκτείνει την εφαρμογή και σε μικρά και σε μεγάλα εμπορικά 70

71 αυτοκίνητα. Οι συνεργαζόμενες εταιρίες επίσης, σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν τα fuel cells σαν βοηθητική μονάδα ισχύος (APU) παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα να αυξηθεί η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας εντός του οχήματος. Το τμήμα fuel cell της United Technologies Companies προσπαθεί να χρησιμοποιήσει τα PEM fuel cells για να τροφοδοτήσει όχι μόνο αυτοκίνητα, αλλά και μεγάλα οχήματα όπως λεωφορεία. Το τμήμα αυτό συνεργάζεται με μεγάλους κατασκευαστές αυτοκινήτων όπως Nissan, Renault, Hyundai και BMW καθώς και με το US Department of Energy για να αναπτύξει τεχνολογία fuel cells για αυτοκίνητα. Επίσης, συνεργάζεται με μεγάλους κατασκευαστές λεωφορείων όπως οι Thor και Irisbus, ενσωματώνοντας fuel cells σε λεωφορεία αλλά και σε οχήματα. Και η Honda όμως έχει δείξει ενδιαφέρον για την ενσωμάτωση τους στα αυτοκίνητα. Αφού παρουσίασαν το Honda Insight και το Honda Civic Hybrid, ήλθαν να παρουσιάσουν στη συνέχεια το, τροφοδοτούμενο από fuel cell, Honda FCX, ενώ όπως δήλωσε η εταιρία, η Honda σκοπεύει να κυκλοφορήσει περίπου 30 fuel cell αυτοκίνητα μέσα στα επόμενα χρόνια, στην Καλιφόρνια και την Ιαπωνία. Εκτός από τα αυτοκίνητα και τα λεωφορεία πάντως, γίνεται ενσωμάτωση κυψελών καυσίμων και σε μηχανάκια (scooters), γεγονός που θα μειώσει αισθητά τις εκπομπές τους βλαβερών για την ατμόσφαιρα ρύπων, που μάλιστα είναι μεγάλες. Όπως έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα στην Ινδία αλλά και σε πολλές άλλες χώρες της Ασίας, όπου τα χρησιμοποιεί μεγάλο τμήμα του πληθυσμού, πρόκειται για μία πολύ επωφελή εφαρμογή [49] ) Γεννήτριες ισχύος Τα fuel cells ωστόσο δε θα χρησιμοποιηθούν μόνο για να τροφοδοτούν οχήματα, αλλά και για να παράγουν μεγάλες ποσότητες ισχύος, που είναι μια άλλη βασική τους εφαρμογή. Συγκεκριμένα, πάνω από 2500 συστήματα fuel cells είναι εγκατεστημένα σε ολόκληρο τον κόσμο - σε νοσοκομεία, ξενοδοχεία, κτίρια με γραφεία, σχολεία, εγκαταστάσεις παραγωγής ισχύος και είτε είναι συνδεδεμένα στο υπάρχον δίκτυο, παρέχοντας ισχύ, είτε λειτουργούν σαν ανεξάρτητες μονάδες παραγωγής, για να παρέχουν ισχύ σε περιοχές οι οποίες δεν είναι προσβάσιμες από τις γραμμές του δικτύου. Ειδικότερα στο θέμα των τηλεπικοινωνιών, με την συνεχόμενη χρήση των υπολογιστών, του ίντερνετ και των δικτύων τηλεπικοινωνίας, γίνεται έντονη η ανάγκη για πιο αξιόπιστη ισχύ από αυτή που είναι διαθέσιμη από το δίκτυο και τα fuel cells έχουν αποδειχθεί να είναι % αξιόπιστα. Μπορούν να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες, για να δώσουν ισχύ 1kW-5kW σε τοποθεσίες με τηλεπικοινωνίες, χωρίς θόρυβο και εκπομπές, ενώ έχουν και μεγάλη διάρκεια, παρέχοντας ισχύ σε τοποθεσίες που είτε δεν φτάνει το υπάρχον δίκτυο είτε υπόκεινται σε δριμύτατες καιρικές συνθήκες. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να παρέχουν κύρια ή βοηθητική ισχύ σε περίπτωση ανάγκης σε τηλεπικοινωνιακούς κόμβους, σε πύργους, ή σε άλλα ηλεκτρονικά συστήματα. Μάλιστα η εταιρία Siemens Westinghouse Power Corp ήλεγξε ένα SOFC (σαν αυτό του σχήματος 5.11), το οποίο συμπλήρωσε ένα χρόνο λειτουργίας και ήταν εγκατεστημένο στο Westervoort στην Ολλανδία. Διαπιστώθηκε ότι η ελεγχθείσα μονάδα λειτουργούσε για ένα διάστημα 8760 ωρών και παρείχε 110 kw στο τοπικό δίκτυο αλλά και ζεστό νερό στο σύστημα θέρμανσης της περιοχής [50]. 71

72 Σχήμα 4.11: SOFC [47] 4.4.3) Άλλες εφαρμογές Εκτός από τις περιπτώσεις που αναφέραμε στην βιομηχανία αυτοκίνησης, οι κυψέλες καυσίμου θεωρούνται ως μία πολύ καλή επιλογή στην αεροπλοΐα, γιατί έχουν μηδενικές ή έστω ελάχιστες εκπομπές και δεν κάνουν σχεδόν καθόλου θόρυβο. Αυτή η εφαρμογή ενδιαφέρει πολύ το στρατιωτικό τομέα (κυρίως λόγω της απουσίας θορύβου) και για το λόγω αυτό γίνεται προσπάθεια από διάφορες εταιρίες, συμπεριλαμβανομένου και της Boeing, για τη δημιουργία ενός τέτοιου αεροπλάνου. Και τα θαλάσσια σκάφη όμως, συγκαταλέγονται στις εφαρμογές. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι για κάθε λίτρο καυσίμου που χρησιμοποιείται η μηχανή των σκαφών αυτών, παράγει κατά μέσο όρο ποσότητα υδρογονανθράκων, 140 φορές μεγαλύτερη από αυτή του σημερινού μέσου αυτοκινήτου. Έτσι τα fuel cells εκτός από μεγάλη απόδοση, θα προσφέρουν και λιγότερες εκπομπές. Σε αυτήν την κατεύθυνση μάλιστα, η Ισλανδία έχει δεσμευθεί ως το 2015 να εξοπλίσει όλο τον αλιευτικό της στόλο με κυψέλες καυσίμου. Στον ίδιο άξονα, οι κυψέλες χρησιμοποιούνται και σε αμαξοστοιχίες ορυχείων εφόσον δεν έχουν εκπομπές. Ταυτόχρονα, μια διεθνής κοινοπραξία, αναπτύσσει το μεγαλύτερο παγκοσμίως όχημα fuel cell, μια αμαξοστοιχία 109 μετρικών τόνων, ισχύος 1ΜW, για στρατιωτικές αλλά και βιομηχανικές εφαρμογές. Τέλος, σε εφαρμογές επιπέδου ηλεκτρονικών, αναμένεται ότι τα fuel cells θα αλλάξουν και τον κόσμο της τηλεργασίας, καθώς θα χρησιμοποιηθούν και για την τροφοδοσία κινητών τηλεφώνων, laptop, με διάρκεια ζωής πολύ μεγαλύτερη από τις μπαταρίες. Ορισμένες εταιρίες έχουν ήδη παρουσιάσει κυψέλες καυσίμου που μπορούν να τροφοδοτήσουν κινητά τηλέφωνα για 30 ολόκληρες μέρες, χωρίς επαναφόρτιση και laptop για 20 ώρες. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν video recorders και απομονωμένες συσκευές μικρής ισχύος, όπως ανιχνευτές καπνού, συναγερμούς, συστήματα κλειδώματος για ξενοδοχεία κ.α. Αυτές οι κυψέλες-μινιατούρες λειτουργούν κυρίως με μεθανόλη [44]. 72

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΥΒΡΙΔΙΚΟ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑ 5.1) Εισαγωγή Πολυάριθμα αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα έχουν εγκατασταθεί σε ολόκληρη την Ευρώπη. Αυτά τα συστήματα παρέχουν ισχύ σε τεχνικές εγκαταστάσεις και κοινότητες σε περιοχές που δεν έχουν πρόσβαση στο περιφερειακό ή εθνικό δίκτυο. Ένας αυξανόμενος αριθμός τέτοιων συστημάτων περιλαμβάνει τεχνολογίες ανανεώσιμης ενέργειας (ηλιακή ή αιολική ενέργεια), συχνά σε συνδυασμό με γεννήτριες diesel με ή χωρίς μπαταρίες ως εφεδρική πηγή, αλλά η πλειοψηφία των μεγαλύτερων SAPS είναι ακόμα βασισμένη στην παραγωγή ισχύος από ορυκτά καύσιμα. Η αντικατάσταση των γεννητριών diesel και των μπαταριών από τις κύψέλες καυσίμου (FC) που λειτουργούν με βάση το άφθονο υδρογόνο θα ελαχιστοποιούσε την εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση την περιβαλλοντικών επιδράσεων και ενδεχομένως στη μείωση του κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Η αγορά SAPS θεωρείται μια αγορά όπου η τεχνολογία κυψελών καυσίμου μπορεί να είναι ανταγωνιστική βραχυπρόθεσμα, λόγω της υψηλού κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Η αποθήκευση της ανανεώσιμης ενέργειας (συνήθως της ηλιακής ενέργεια) υπό μορφή ηλεκτρολυτικά παραχθέντος υδρογόνου στα αυτόνομα ηλεκτρικά συστήματα και επανηλέκτριση του υδρογόνου στις κύψέλες καυσίμου έχει ερευνηθεί σε πολλά συστήματα επίδειξης και είναι σχετική με τις μη συνδεδεμένες στο δίκτυο κοινότητες και τις απομονωμένες περιοχές. Διάφοροι ερευνητές έχουν ερευνήσει τέτοια συστήματα, όπως περιγράφονται στις ακόλουθες παραγράφους. Εκτός από την ανάπτυξη της τεχνολογίας των στοιχείων ανανεώσιμης ενέργειας, η μελέτη των συστημάτων που περιλαμβάνουν τα εν λόγω στοιχεία καθώς και η βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους έχουν λάβει κάποια προσοχή αλλά είναι βεβαίως ένα θέμα που απαιτεί περαιτέρω προσοχή. Έτσι αναπτύχθηκε το σύστημά μας το οποίο τροφοδοτείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (συνήθως αιολική και ηλιακή ενέργεια), με ή χωρίς μπαταρίες. Επίσης χρησιμοποιεί το αέριο υδρογόνο ως ανεξάντλητη πηγή ενέργειας καθώς και τα electrolysers και οι κύψέλες καυσίμου ως μέσα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το υδρογόνο. Τα αυτόνομα ενεργειακά συστήματα υδρογόνου με διάφορους συνδυασμούς ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, δηλαδή ηλιακή, υδροηλεκτρική και αιολική αναλύθηκαν με βάση το σχεδιασμό και τη λειτουργία τους. Η ανάλυση έδειξε ότι η προτιμότερη λύση ποικίλει ανάλογα με τους μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής εγκατάστασης καθώς και το προφίλ του φορτίου. Για μια επιλεγμένη ορεινή περιοχή με άφθονο νερό συνήθως το συμπέρασμα ότι υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις που συνδυάστηκαν με ένα electrolyser, μια δεξαμενή αποθήκευσης υδρογόνου και ένα κύτταρο καυσίμου PEM ήταν η βέλτιστη επιλογή. 73

74 Σχήμα 5.1 Το σύστημά μας σχεδιασμένο σε 3D πρόγραμμα (Google SketchUp) 5.2) Λειτουργία Υβριδικού συστήματος αποτελούμενο από ΦΒ πάνελ, Κυψέλες Καυσίμου και μπαταρίες Τα στοιχεία που θα χρησιμοποιήσουμε είναι ανεμογεννήτρια, φωτοβολταϊκή συστοιχία, μπαταρίες, ηλεκτρολύτης, συσκευές αποθήκευσης υδρογόνου και κύψέλες καυσίμου. Το σύστημα κυψελών καυσίμου χρησιμοποιείται ως εφεδρική πηγή ενέργειας, όταν οι μπαταρίες φθάνουν στο κατώτατο επιτρεπόμενο επίπεδο φόρτισης και το φορτίο υπερβαίνει την ισχύ που παράγεται από τα ΑΠΕ. Τα πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι γενικά τα ίδια όπως για ένα υβριδικό σύστημα αποτελούμενο από φωτοβολταϊκή συστοιχία, ντιζελογεννήτρια και μπαταρίες όσον αφορά το μέγεθος των φωτοβολταϊκών και τη διαθεσιμότητα μπαταριών. Μερικές σημαντικές διαφορές υπάρχουν μεταξύ της γεννήτριας diesel και των κυψελών καυσίμου, που έχουν επιπτώσεις στο σχεδιασμό, την διαστασιοποίηση και τη στρατηγική λειτουργίας ενός τέτοιου υβριδικού συστήματος. Παραδείγματος χάριν, μια γεννήτρια diesel θα παρέχει την ενδεδειγμένη ισχύ στο φορτίο σε μερικά δευτερόλεπτα μετά από το ξεκίνημα, αλλά ένα σύστημα κυψελών καυσίμου χρειάζεται περισσότερο χρόνο να παρέχει την ενδεδειγμένη ισχύ στο φορτίο και η απόδοση πρέπει να αυξάνεται αργά μετά από το ξεκίνημα. Η αυξανόμενη θερμοκρασία που εμφανίζεται κατά τη λειτουργία βελτιώνει σημαντικά την απόδοση κυψελών καυσίμου. Σύμφωνα με το προφίλ του φορτίου, το πόσο λειτουργούν οι κυψέλες καυσίμου μπορεί να καθοριστεί, ενώ μια γεννήτρια diesel πρέπει να λειτουργεί στην ενδεδειγμένη ισχύ όσο το δυνατόν περισσότερο. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του κυττάρου καυσίμου ως εφεδρική γεννήτρια σε αντίθεση με τη γεννήτρια diesel είναι η υψηλή απόδοση μετατροπής. Εκτιμώντας ότι μια γεννήτρια diesel του 1kW έχει συνολική απόδοση μεταξύ 8-15%.ένα παρόμοιο σύστημα κελιών καυσίμου όπως το δικό μας μπορεί να επιτύχει απόδοση μέχρι 50% όταν λειτουργεί με H 2 και Ο 2. Οι γεννήτριες diesel έχουν υψηλά κόστη συντήρησης, είναι θορυβώδεις και εκπέμπουν συνεχώς δηλητηριώδη αέρια. Αντίθετα, οι κυψέλες καυσίμου έχουν πολύ καλές τεχνικές ιδιότητες που τα κάνουν ενδιαφέροντα ιδιαίτερα για τα αυτόνομα συστήματα, εξαιτίας του χαμηλού επίπεδου θορύβου και της καθαρότητας των αερίων εξάτμισης, ειδικά όταν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο ως καύσιμο. Λόγω του πολύ χαμηλού κόστους συντήρησης τους, τα κύτταρα καυσίμου αναμένεται να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με χαμηλότερο κόστος από τις συμβατικές γεννήτριες diesel παρά το υψηλότερο αρχικό κόστος επένδυσής τους. Το χαμηλότερο κόστος επένδυσης και ο υψηλότερος χρόνος ζωής των 74

75 συστημάτων με κυψέλες καυσίμου αναμένονται στο μέλλον, όταν πραγματοποιηθούν μαζική παραγωγή και τεχνικές βελτιώσεις. Η εμπειρία από την λειτουργία τέτοιων συστημάτων έχει δείξει ότι η τεχνολογία του αλκαλικού electrolyser είναι αρκετά ώριμη πια για εφαρμογές με ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά. Παρολαυτά ως μειονέκτημα μπορούμε να αναφέρουμε την πολυπλοκότητα και τις παρασιτικές απώλειες ενέργειας των συστημάτων με Υδρογόνο εξαιτίας της ανάγκης για έλεγχο του αέριου. Έτσι οι ελεγκτές, οι συμπιεστές, οι μετατροπείς και ο εξοπλισμός για καθαρισμό του αερίου αυξάνουν την πολυπλοκότητα σε σύγκριση με τα συμβατικά υβριδικά αυτόνομα συστήματα. Ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα στον σχεδιασμό αυτόνομων συστημάτων είναι βελτιστοποίηση διαφορετικών μεγεθών των στοιχείων του συστήματος όσον αφορά το κόστος της ενέργειας και την ολική απόδοση του συστήματος. Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος στην κανονική του λειτουργία είναι η εξής: Τα φωτοβολταϊκά και η ανεμογεννήτρια παρέχουν την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο μέσω του μετατροπέα ισχύος. Η πρόσθετη ενέργεια φορτίζει τις μπαταρίες μέσω του ρυθμιστή φόρτισης μέχρι να φτάσουν στο μέγιστο επίπεδο φόρτισης τους. Η επιπλέον ισχύς από τα φωτοβολταϊκά ή τις Α/Γ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να συμβάλει στην λειτουργία ενός electrolyser που θα παράγει υδρογόνο σε περιόδους χαμηλής ζήτησης από το φορτίο. Το υδρογόνο που είναι το προϊόν της ηλεκτρόλυσης μπορεί έπειτα να αποθηκευτεί φιάλες και να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο ξανά σε περιόδους μέγιστης ζήτησης, μέσω ενός κυττάρου καυσίμου PEM. Το κύτταρο καυσίμου PEM μπαίνει σε λειτουργία εάν την ζήτηση του φορτίου δεν μπορούν να καλύψουν τα ΦΒ, οι Α/Γ αλλά ούτε και οι μπαταρίες. Σχήμα.5.2: Σχηματική αναπαράσταση υβριδικού συστήματος που διαθέτει ανεμογεννήτρια, συσκευή ηλεκτρόλυσης και κυψελίδα καυσίμου, καθώς και δεξαμενή αποθήκευσης Η2. Η ισχύς μπορεί να διοχετευτεί στο ηλεκτρικό δίκτυο είτε κατευθείαν από την ανεμογεννήτρια, είτε μέσω της κυψελίδας καυσίμου [51]. 75

76 5.3) Πειραματική Διάταξη 5.3.1) Γεννήτρια Υδρογόνου Εικόνα 5.3:Εργαστηριακή γεννήτρια υδρογόνου(ηλεκτρολύτης) ) Περιγραφή γεννήτριας υδρογόνου. Η γεννήτρια υδρογόνου παράγει καθαρό υδρογόνο (και οξυγόνο ως υπο-προϊόν) από την ηλεκτρόλυση του νερού. Το στοιχείο κλειδί της γεννήτριας είναι μια ηλεκτροχημική κυψέλη η οποία περιέχει έναν στερεό πολυμερή ηλεκτρολύτη. Με την κυψέλη έρχεται σε επαφή μόνο απιονισμένο ή αποσταγμένο νερό, το οποίο είναι αναλώσιμο με αποτέλεσμα να χρειάζεται συμπλήρωση. Το παραγόμενο υδρογόνο διέρχεται στον υδρογόνο/νερό διαχωριστή. Η εσωτερική πίεση ελέγχεται κι διατηρείται σταθερή στα 10.3 bar μέσω ενός ελεγκτή. Η εξωτερική πίεση ελέγχεται από μια βαλβίδα εκτόνωσης. Το υδρογόνο στεγνώνει περνώντας από το αυτόματο στεγνωτήριο και εξέρχεται από μια βαλβίδα, η οποία βρίσκεται στο πίσω μέρος της συσκευής. 76

77 Σχήμα 5.4:Δομή υδρογονογεννήτριας [53] ) Εγκατάσταση Γεννήτριας Υδρογόνου Η γεννήτρια υδρογόνου πρέπει να τοποθετείται σε μια επίπεδη επιφάνια χωρίς κραδασμούς και μακριά από εστίες θερμότητας. Απαραίτητος είναι και ο επαρκής αερισμός της συσκευής καθώς και οι ενδεδειγμένες θερμοκρασίες λειτουργίας να κυμαίνονται από +15 μέχρι + 40 C. Το παραγόμενο υδρογόνο, το οποίο εξέρχεται από την πίσω πλευρά της συσκευής, συνδέεται με ένα ανοξείδωτο σωλήνα διαμέτρου 1/8" χρησιμοποιώντας συνδετήρες ταχείας σύνδεσης (quick-coupler) της εταιρίας PARKER Εικόνα 5.5:Quick-Coupler της εταιρίας PARKER Η βαλβίδα εκτόνωσης υδρογόνου της συσκευής πρέπει να συνδέεται με κάποιο σύστημα εξαερισμού έτσι ώστε να το απομακρύνει από τον εσωτερικό χώρο. 77

78 Η συγκεκριμένη γεννήτρια μας παρέχει την δυνατότητα σύνδεσης έως και 10 συσκευών σε παράλληλη λειτουργία. Η επικοινωνία των συσκευών γίνεται μέσω ενός RS-485 ελεγκτή. Για τη σωστή επικοινωνία μεταξύ τους η κάθε γεννήτρια χρειάζεται έναν μοναδικό ID αριθμό, όπως επίσης πρέπει να ξέρει με πόσα άλλα είναι συνδεδεμένο παράλληλα. Ξεκινώντας την λειτουργία τους μια γεννήτρια ορίζεται ως master και ελέγχει τα υπόλοιπα (slaves).σε περίπτωση δυσλειτουργίας του master, ένα slave το αντικαθιστά. Κάθε slave μπορεί να γίνει master επιλέγοντας από το menu της συσκευής το force to master. Εφόσον έχουμε επιλέξει μια γεννήτρια να λειτουργεί ως master παρατηρούμε στην οθόνη την ένδειξη Μ ενώ στα υπόλοιπα S. Σχήμα 5.6:Διάταξη παράλληλης συνδεσμολογίας υδρογονογεννητριών[53]. Η σωστή παράλληλη λειτουργία εξασφαλίζεται μόνο όταν όλες οι γεννήτριες έχουν κοινή έξοδο για την απελευθέρωση του υδρογόνου. Για να γεμίσουμε τη γεννήτρια υδρογόνου αφαιρούμε το καπάκι πάνω από τη δεξαμενή νερού και προσεχτικά ρίχνουμε αποσταγμένο ή απιονισμένο νερό. Ποτέ δεν ξεπερνάμε το αναγραφόμενο μέγιστο επιτρεπτό όριο γιατί υπάρχει κίνδυνος υπερχείλισης και άμεσης καταστροφής της γεννήτριας. Όταν η στάθμη του νερού πλησιάζει προς το τέλος εμφανίζεται ένα προειδοποιητικό μήνυμα.. Ακόμα κι αν η αλκαλική ηλεκτρόλυση θεωρείται καθιερωμένη η τεχνολογία της από τη δεκαετία του '40, το κόστος των ηλεκτρολυτών είναι ακόμα υψηλό, λόγω της έλλειψης μαζικής παραγωγής. Οι ΡΕΜ ηλεκτρολύτες είναι οι πιο κοινώς χρησιμοποιούμενοι σε αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας. Στην περίπτωση μας χρησιμοποιήσαμε τον ηλεκτρολύτη της MD Scientific και συγκεκριμένα το μοντέλο NMH2-500.Το κόστος του NMH2-500 είναι Η διάρκεια ζωής 20 χρόνια και η αποδοτικότητα όπως προαναφέρθηκε δεν υπερβαίνει συνήθως το 60%. Ένας παράγοντας που επηρεάζει σε πολύ μεγάλο βαθμό το ρυθμός παραγωγής Η2 του ηλεκτρολύτη είναι η θερμοκρασία του η οποία λόγω του κλειστού συστήματος ήταν αδύνατον να μετρηθεί. 78

79 79 Electrolyser specifications

80 5.3.2) Κυψέλες Καυσίμου (FUEL CELL) Εικόνα 5.7:Εργαστηριακή Κυψέλη Καυσίμου Τεχνολογίας PEM της εταιρίας Ballard Το Nexa Power Module είναι ένα μικρό, χαμηλής συντηρήσεως, πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα κελιών καυσίμου το οποίο είναι σχεδιασμένο για να τοποθετηθεί σε φορητές εφαρμογές και σε συστήματα βοηθητικής παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα αυτό είναι ικανό να αποδώσει μέχρι 1200watt μη εξομαλυμένης ηλεκτρικής ενέργειας στην συνεχή τάση των 26volt. Χρειάζεται εξωτερική τροφοδοσία καύσιμου υδρογόνου και η συνέχεια της λειτουργίας του μπορεί να περιοριστεί μόνο από την ικανότητα αποθήκευσης του καυσίμου. Η χρήση υδρογόνου ως καύσιμο το καθιστά εξαιρετικά ήσυχο και φιλικό προς το περιβάλλον, διότι δεν παράγει επιβλαβή προϊόντα. Χρησιμοποιεί μια στοίβα κελιών κατασκευασμένη από την Ballard, και έχει μερικά υποσυστήματα τα οποία είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει[54]. Τα υποσυστήματα του συμπεριλαμβάνουν, το σύστημα τροφοδοσίας του υδρογόνου και του αέρα, καθώς και το σύστημα ψύξης. Διαθέτει ενσωματωμένους αισθητήρες που παρακολουθούν την απόδοση του συστήματος και έναν μικροεπεξεργαστή που αυτοματοποιεί το όλο σύστημα. 80

81 Σχήμα 5.8: Λειτουργικό Σχεδιάγραμμα του Συστήματος [52]. Η στοίβα κελιών καυσίμου του συστήματος παράγει μη σταθεροποιημένη DC ισχύ με την χρήση αέρα και υδρογόνου ως αντιδρώντα. Τα μόνα προϊόντα της αντίδραση είναι νερό και θερμότητα. Η στοίβα κελιών καυσίμου τεχνολογίας PEM, λειτουργεί σε χαμηλή πίεση, μειώνοντας έτσι όλες τις παρασιτικές απώλειες, τον παραγόμενο θόρυβο και αυξάνοντας την αξιοπιστία του συστήματος. Επίσης, η αρχιτεκτονική της στοίβας δεν απαιτεί εξωτερική ενυδάτωση του καυσίμου. Το σύστημα είναι αερόψυκτο, πράγμα που απλοποιεί ακόμα περισσότερο την κατασκευή και την λειτουργία. Η ηλεκτρική ισχύ που παράγει είναι 1.2kW. Η τάση εξόδου εξαρτάται και μεταβάλλεται με την ισχύ, και μεταβάλλεται από 43V στην κατάσταση ανοικτού κυκλώματος, μέχρι 26V σε πλήρες φορτίο. Κατά την διάρκεια λειτουργίας, η τάση της στοίβας επιτηρείται για διάφορους λόγους, όπως είναι, η ασφάλεια, η διάγνωση και ο έλεγχος. (Σχήμα 5.8). Επιπρόσθετα, το σύστημα ελέγχου της τάσης των κελιών, παρακολουθεί την απόδοση των κελιών ανά ζευγάρια και διακρίνει πιο κελί έχει μειωμένη απόδοση. Η μονάδα ελέγχου του συστήματος θα σταματήσει την λειτουργία του, είτε σε περίπτωση σφάλματος, είτε σε περίπτωση μη ασφαλής λειτουργίας της στοίβας ) Το σύστημα τροφοδοσίας Υδρογόνου Το Νexa λειτουργεί με καθαρό, ξηρό υδρογόνο από οποιαδήποτε διαθέσιμη πηγή. Το οποίο παρακολουθεί και ρυθμίζει την παροχή υδρογόνου στην στοίβα. Το υποσύστημα τροφοδοσίας καυσίμου αποτελείται από τα παρακάτω μέρη: Ένας ελεγκτής της πίεσης παρακολουθεί τις συνθήκες ροής του καυσίμου για να διασφαλίσει ότι υπάρχει αρκετό καύσιμο για την λειτουργία του Nexa. Μια βαλβίδα απελευθέρωσης καυσίμου προστατεύει τα εξαρτήματα από την υπερβολική αύξηση της πίεσης του καυσίμου. Μια βαλβίδα με σωληνοειδές η οποία παρέχει απομόνωση από την παροχή του 81

82 καυσίμου κατά τον τερματισμό της λειτουργίας του συστήματος. Ένας ρυθμιστής πίεσης ο οποίος διατηρεί κατάλληλη πίεση στο παρεχόμενο καύσιμο Ένας ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου ο οποίος παρακολουθεί τα επίπεδα της συγκέντρωσης του υδρογόνου, κοντά στο σύστημα παροχής καυσίμου. Σε περίπτωση ανόδου της συγκέντρωσης, εμφανίζεται προειδοποιητικό σήμα και γίνεται τερματισμός της λειτουργίας του συστήματος. Η στοίβα βρίσκεται υπό την πίεση του παρεχόμενου υδρογόνου κατά την διάρκεια της λειτουργίας. Το σύστημα ρύθμισης της πίεσης φροντίζει να υπάρχει αρκετό υδρογόνο, το οποίο καταναλώνεται κατά την λειτουργία. Το άζωτο και το παραγόμενο νερό στο κύκλωμα των καναλιών του αέρα μετακινείται αργά κατά μήκος των κελιών της στοίβας και σταδιακά συσσωρεύεται στο κύκλωμα καναλιών του υδρογόνου. Η συσσώρευση του αζώτου και του νερού στην άνοδο έχει ως αποτέλεσμα μια σταδιακή μείωση της απόδοσης συγκεκριμένων κελιών, τα οποία ονομάζονται, κελιά εκκαθάρισης. Η παραγόμενη τάση αυτών των κελιών παρακολουθείται και ανάλογα με την τιμή της, μια βαλβίδα καθαρισμού απελευθερώνει υδρογόνο περιοδικά στην έξοδο της στοίβας για να απομακρύνει αδρανή συστατικά στην άνοδο και να αποκαταστήσει την απόδοση. Μόνο ένα μικρό ποσοστό του καυσίμου χρησιμοποιείται για καθαρισμό, και είναι μικρότερο από 1% του συνολικού καυσίμου που καταναλώνεται κάθε στιγμή. Το υδρογόνο του έχει χρησιμοποιήθηκε για τον καθαρισμό τροφοδοτείται στο σύστημα ψύξης, πριν απομακρυνθεί από το Nexa, όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.8. Το υδρογόνο διαχέεται στο σύστημα ψύξης μέσω του αέρα, και μειώνεται η συγκέντρωση του, πολύ κάτω από το όριο επικινδυνότητας. Ο ανιχνευτής διαρροής του υδρογόνου, ο οποίος είναι τοποθετημένος στο σημείο εξόδου του συστήματος ψύξης, διασφαλίζει ότι η συγκέντρωση του υδρογόνου είναι πολύ μικρότερη από το όριο επικινδυνότητας. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά το Nexa ικανό για εσωτερική χρήση ) Σύστημα τροφοδοσίας αέρα Ένας μικρός συμπιεστής τροφοδοτεί με περίσσια οξειδωτικού αέρα την στοίβα των κελιών καυσίμου, για να συντηρεί την αντίδραση. Ένα φίλτρο εισαγωγής αέρα προστατεύει τον συμπιεστή και τα εξαρτήματα μετά από αυτών μικροσωματίδια που βρίσκονται στον ατμοσφαιρικό αέρα. Η ταχύτητα του συμπιεστή προσαρμόζεται ανάλογα με το ρεύμα που απαιτείται από την στοίβα. Μεγάλα ρεύματα απαιτούν και μεγαλύτερες παροχές αέρα. Ένας αισθητήρας ροής αέρα μετράει και προσαρμόζει ανάλογα την ταχύτητα του συμπιεστή στην εκάστοτε απαίτηση ρεύματος. Ο οξειδωτικός αέρας υγραίνεται πριν φτάσει τα κελιά καυσίμου, για να διατηρηθεί ο κορεσμός της υγρασίας στις μεμβράνες και ταυτόχρονα να διατηρηθεί σε υψηλό βαθμό η διάρκεια ζωής των κελιών. Ένας εναλλάκτης υγρασίας μεταφέρει ταυτόχρονα το παραγόμενο νερό και την θερμότητα από την κάθοδο, στην είσοδο του ξηρού αέρα. Το παραπανίσιο παραγόμενο νερό απομακρύνεται από το σύστημα, σε υγρή και αέρια μορφή, στην έξοδο του οξειδωτικού αέρα, δηλαδή στην «εξάτμιση» τις στοίβας. Το παραγόμενο νερό θα πρέπει να διαχειρίζεται με μία ολοκληρωμένη, τερματισμένη σχεδίαση των αγωγών. Το παραπανίσιο νερό πιθανόν να εξατμιστεί παθητικά στο περιβάλλον, όπως δείχνεται από το σχήμα 5.8. Εναλλακτικά, το παραγόμενο νερό μπορεί να συλλέγει με έναν αγωγό ) Το σύστημα Ψύξης Το Nexa είναι αερόψυκτο. Ένας ανεμιστήρας τοποθετημένος στην βάση της μονάδας σπρώχνει αέρα κάθετα μέσα στα κανάλια ψύξης στην στοίβα. Η θερμοκρασία λειτουργίας του συστήματος διατηρείται στους 65 βαθμοί κελσίου, μεταβάλλοντας κατάλληλα την ταχύτητα του ανεμιστήρα. Η θερμοκρασία μετράται στην κάθοδο, που βρίσκεται και η έξοδος του αέρα, όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.8. Ζεστός αέρας από το σύστημα ψύξης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση χώρων, σε ορισμένες περιπτώσεις. Το σύστημα ψύξης 82

83 χρησιμοποιείται για να διαλύσει το χρησιμοποιούμενο για τον καθαρισμό υδρογόνο, που αποβάλλεται κατά την διάρκεια κανονικής λειτουργίας. Το υδρογόνο απελευθερώνεται στην ροή του ψυκτικού αέρα μέσω της αυτόματής βαλβίδας καθαρισμού. Το υδρογόνο γρήγορα διαχέεται στον αέρα η συγκέντρωσή μειώνεται σε επίπεδα πολύ χαμηλότερα από το όριο ανάφλεξης (LFL) του υδρογόνου. Για λόγους ασφαλείας, είναι τοποθετημένος ένας αισθητήρας υδρογόνου στην εξαγωγή του ψυκτικού αέρα και παρέχει στοιχεία στο σύστημα ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου παράγει προειδοποιητικά σήματα και συναγερμούς εάν η συγκέντρωση του υδρογόνου πλησιάσει το 25% του ορίου ανάφλεξης (LFL) ) Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου Η λειτουργία του Nexa είναι πλήρως αυτοματοποιημένη από ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου. Η μονάδα ελέγχου λαμβάνει διάφορα σήματα εισόδου από τους διάφορους αισθητήρες που υπάρχουν στο σύστημα. Κάποια από τα σήματα ελέγχου είναι: οι διάφορες θερμοκρασιακές μετρήσεις της στοίβας, η πίεση του υδρογόνου, οι συγκεντρώσεις διαρροής του υδρογόνου, το ρεύμα που διαρρέει την στοίβα, η ροή της μάζας του αέρα, η τάση της στοίβας και η τάση του κελιού καθαρισμού. Η κατάσταση του συστήματος του ελεγκτή της τάσης του κελιού (CVC), είναι επίσης μια είσοδος στο σύστημα ελέγχου, παράγοντας ένα ψηφιακό σήμα δύο καταστάσεων που δηλώνουν την καλή ή λανθασμένη λειτουργία της στοίβας αντίστοιχα. Η συγκέντρωση του οξυγόνου στο περιβάλλον που βρίσκεται η συσκευή, μετράται από έναν ενσωματωμένο αισθητήρα, για την διασφάλιση ιδανικών συνθηκών περιβάλλοντος για τον χρήστη της συσκευής. Αναλογικά και ψηφιακά σήματα εξόδου παράγονται από τον ελεγκτή για να ρυθμίσουν όλες τις λειτουργίες. Εντολές ελέγχου παράγονται για τον έλεγχο των βαλβίδων του υδρογόνου και του καθαρισμού, οι οποίες είναι ηλεκτρομαγνητικές, για να απομονώσουν την πηγή του υδρογόνου όταν το σύστημα δεν είναι σε λειτουργία. Η ταχύτητα του συμπιεστή του αέρα μεταβάλλεται ανάλογα με την ζήτηση του ρεύματος. Η ταχύτητα του ανεμιστήρα του συστήματος ψύξης ρυθμίζεται ανάλογα για να διατηρηθεί μια σταθερή θερμοκρασία στην στοίβα. Η σύνδεση του εξωτερικού ηλεκτρικού φορτίου γίνεται μέσω ενός ηλεκτρονόμου τον οποίο ελέγχει η μονάδα ελέγχου. Η επικοινωνία από και προς την μονάδα ελέγχου γίνεται μέσω εξωτερικού εξοπλισμού, με την χρήση της σειριακής σύνδεσης RS-485. Τα μεταδιδόμενα δεδομένα από την μονάδα ελέγχου, ενημερώνουν το χρήστη για την απόδοση και την κατάσταση του συστήματος. Η μονάδα ελέγχου δέχεται λειτουργικές και διαγνωστικές εντολές. Συνθήκες λειτουργίας οι οποίες είναι είτε μη ασφαλείς είτε ασυνήθιστες, έχουν ως αποτέλεσμα προειδοποιητικά μηνύματα ή συναγερμούς, και αυτόματη διακοπή της λειτουργίας, ανάλογα με την επικινδυνότητα της κατάστασης. Όταν εμφανιστεί μια προειδοποίηση, το Nexa συνεχίζει να λειτουργεί, και η μονάδα ελέγχου προσπαθεί να επαναφέρει τις ιδανικές συνθήκες λειτουργίας λύνοντας το πρόβλημα. Κατά την διάρκεια ενός συναγερμούς, η μονάδα ελέγχου αυτόματα τερματίζει την λειτουργία του συστήματος. Απενεργοποιώντας τον διακόπτη εκκίνησης, τα περισσότερα σήματα συναγερμών θα απενεργοποιηθούν, και το σύστημα μπορεί να κάνει επανεκκίνηση. Για λόγους ασφαλείας ορισμένα σήματα συναγερμών όπως διαρροές υδρογόνου, διαγνωστικά σφάλματα και σφάλματα λογισμικού μπορούν να απενεργοποιηθούν μόνο από την κατασκευάστρια εταιρεία. Όταν τεθεί σε λειτουργία, η μονάδα ελέγχου μεταδίδει δεδομένα κάθε 200ms. Τα μεταδιδόμενα δεδομένα περιέχουν κωδικούς κατάστασης του συστήματος, κωδικούς προειδοποιήσεων και συναγερμών. Η μονάδα ελέγχου συνδέθηκε με έναν προσωπικό υπολογιστή για παρακολούθηση των διαφόρων λειτουργιών του Nexa. 83

84 ) Τα συστήματα Ασφαλείας Το Nexa έχει αυτοματοποιημένες λειτουργίες για να διασφαλίσει την ασφάλεια του χρήστη και να εμποδίσει καταστροφή του εξοπλισμού. Μια προειδοποίηση ή ένας συναγερμός θα εμφανιστεί όταν η λειτουργία του συστήματος είναι μη ασφαλής ή εκτός συνήθων συνθηκών, ανάλογα με την σοβαρότητα της κατάστασης. Το σύστημα ασφαλείας εκτελεί τις ακόλουθες λειτουργίες : Οι παράμετροι λειτουργίας του συστήματος παρακολουθούνται συνεχώς για να διασφαλιστεί ότι θα βρίσκονται μέσα στα προβλεπόμενα όρια. Αυτές οι παράμετροι συμπεριλαμβάνουν την θερμοκρασία λειτουργίας, το ρεύμα που διαρρέει την στοίβα, την τάση λειτουργίας και την πίεση του παρεχόμενου καυσίμου. Ειδοποιήσεις και Συναγερμοί ενεργοποιούνται αν οποιαδήποτε από αυτές τις παραμέτρους ξεφύγει από τα επιθυμητά όρια. Ο ελεγκτής της τάσης του κελιού, παρακολουθεί συνεχώς την λειτουργία και την απόδοση κάθε ζεύγους κελιών ξεχωριστά. Η παρουσία ενός ελαττωματικού κελιού θα προκαλέσει αυτόματα τον τερματισμό της λειτουργίας του συστήματος. Ο ανιχνευτής διαρροής υδρογόνου είναι τοποθετημένος κοντά στο υποσύστημα διανομής του καυσίμου. Ενταμιευμένος κατάλληλα μέσα στο σύστημα ψύξης μπορεί να ανιχνεύει υπερβολική ποσότητα υδρογόνου καθαρισμού ή την παρουσία εξωτερικής διαρροής καυσίμου. Εάν ξεπεραστούν τα προκαθορισμένα όρια θα γίνει αυτόματος τερματισμός της λειτουργίας του Nexa. Το Nexa εξοπλίζεται με έναν αισθητήρα οξυγόνου για να μετράται η συγκέντρωσή του στον περιβάλλοντα αέρα. Διασφαλίζοντας έτσι τους χρήστες του συστήματος, όταν αυτό λειτουργεί σε μη επαρκώς αεριζόμενους χώρους. Το σύστημα θα τερματίσει την λειτουργία του αυτόματα όταν τα επίπεδα συγκέντρωσης του οξυγόνου πέσουν κάτω από τα επιτρεπτά όρια ασφαλείας. Πέρα από τις διάφορες προειδοποιήσεις και συναγερμούς, το Nexa ενσωματώνει και άλλα χαρακτηριστικά ασφαλείας : Όταν το σύστημα βγαίνει εκτός λειτουργίας ενεργοποιείται μια βαλβίδα αποκοπής του καυσίμου. Αυτή η λειτουργία απομονώνει την παροχή του καυσίμου και αποτρέπει να εισέρθει υδρογόνο στην στοίβα των κελιών, στην περίπτωση που έχει ενεργοποιηθεί κάποιος συναγερμός. Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας, το υδρογόνο από το σύστημα καθαρισμού αναμιγνύεται με τον αέρα από το σύστημα ψύξης, όπου γρήγορ&a