ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΗΝ ΣΥΣΚΕΥΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Transcript

1 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΣΤΗΝ ΣΥΣΚΕΥΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Σπουδαστές: ΤΣΑΡΚΟΒΕΝΤΣΗΣ ΤΑΣΟΣ ΜΕΛΙΔΟΝΙΩΤΗΣ ΣΤΕΡΓΙΟΣ Επιβλέπων: Δρ. ΑΠΟΣΤΟΛΙΔΟΥ ΕΛΕΝΗ Καβάλα Ιούλιος 2003

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟΥ ΜΕΡΟΥΣ 1. ΓΙΑΤΙ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ 2. ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ (Hj) 3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Θερμοχημικές τεχνολογίες για την παραγωγή υδρογόνου Αναμόρφωση υδρογονανθρακών Μερική οξείδωση - αεριοποίηση Αεριοποίηση και πυρόλυση βιομαζας Θερμική διάσπαση υδρογονανθρακών Φωτολυτικές τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου Φωτοβιολογικές μέθοδοι Φωτοηλεκτροχημική μέθοδος (Φωτοηλεκτρολυση) Ηλεκτρόλυση του νερού ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Τεχνολογίες αποθήκευσης και μεταφοράς υδρογόνου Συμπιεσμένες δεξαμενές αποθήκευσης αερίου Υδρίδια κραμάτων μετάλλων Προσρόφηση σε ίνες άνθρακα ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ (ΚΥΨΕΛΕΣ) ΚΑΥΣΙΜΟΥ 5.1 Αρχή Λειτουργίας Τύποι Κυψελών Καυσίμου Κυψέλες Καυσίμου με Μεμβράνη Πολυμερών Ηλεκτρολυτων Κυψέλες Καυσίμου Φωσφορικού Οξέος Κυψέλες Καυσίμου Αλκαλικών Στοιχείων Κυψέλες Καυσίμου με Τετηγμένα Ανθρακικά Αλατα Κυψέλες Καυσίμου Στερεών Οξειδίων Αντιδράσεις ΑΣΦΑΛΕΙΑ 7. ΡΥΠΑΝΣΗ 8. ΚΟΣΤΟΣ

3 9. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΧΡΗΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μη Ενεργειακές Χρήσεις του Υδρογόνου Ενεργειακές Χρήσεις του Υδρογονου Καταλυτικοί Καυστήρες Λέβητες Αερίου Αεριοστρόβιλοι Μηχανές Εσωτερικής Καύσης Επιδείξεις Τεχνολογιών υδρογόνου Τεχνολογίες Συμπαραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας και Υδρογόνου Τεχνολογίες Υδρογόνου για τις Δημόσιες Συγκοινωνίες Οχήματα για Ανθρώπους με Κινητικά Προβλήματα Τεχνολογίες Υδρογόνου - Δραστηριότητες του Κέντρου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΚΑΠΕ) Συμβολαιοποιημένα έργα του ΚΑΠΕ σχετικά με τεχνολογίες υδρογόνου Στόχοι του ΚΑΠΕ για περαιτέρω εμπλοκή στον χώρο του Υδρογόνου, 49 Π ΙΝ Α Κ ΕΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΙΝΑΚΑΣ

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΜΕΡΟΥΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ΣΥΣΚΕΥΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΚΕΥΗΣ. 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ... Πείραμα 1... Πείραμα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραγωγή ενέργειας από το Υδρογόνο (Η2). Με τα αποθέματα στα «συμβατικά» καύσιμα να εξαντλούνται και την ατμόσφαιρα βεβαρημένη από τους ρύπους, δημιουργείται μία ανάγκη για έρευνα και ανάπτυξη μεθόδων που να προσφέρουν «καθαρή» ενέργεια. Οι έρευνες τώρα τελευταία επικεντρώνονται στην επικρατέστερη λύση, που φαίνεται να είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλεκτρόλυση του νερού (παραγωγή υδρογόνου). Συγχρόνως με την κατάλληλη συνδεσμολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων επιτυγχάνουμε αύξηση της παραγόμενης ενέργειας. ΓΓ αυτό το λόγο έχουμε εξοπλίσει πρόσφατα το εργαστήριο με την έκδοση σε μικρή κλίμακα μιας συσκευής υδρογόνου. Στόχος της πτυχιακής εργασίας είναι η θεωρητική ανάλυση του θέματος τεκμηριωμένη και από εργαστηριακά πειράματα. Αφιερωμένη στις οικογένειές μας Καβάλα

6 Κεφάλαιο 1 - Γιατί το Υδρογόνο 1. ΓΙΑΤΙ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Ας φανταστούμε ότι ζούμε στο κέντρο μίας μεγάλης πόλης με δρόμους γεμάτους με φορτηγά, αυτοκίνητα, λεωφορεία και αναττνέουμε καθαρό αέρα σαν να είμαστε στην εξοχή. Προς το παρόν αύτη η κατάσταση φαντάζει όνειρο μα στο μέλλον μπορεί να γίνει πραγματικότητα. Μέχρι σήμερα η κύρια πηγή ενέργειας ήταν τα ορυκτά καύσιμα. Υπάρχουν μεγάλα αποθέματα ανθράκων που μπορούν να μας τροφοδοτούν για 200 ακόμη χρόνια, ως τώρα το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο ρέουν άφθονα και παρέχονται σε τιμές σχετικά προσιτές. Τα τελευταία 30 χρόνια περίπου όμως εμφανίστηκαν οι εξής δυσάρεστες προοπτικές για τα καύσιμα αυτά. Φάνηκε ότι τα αποθέματα του πετρελαίου δεν θα ήταν αιώνια και συγκεκριμένα υπολογίζεται ότι θα εξαντληθούν μέσα σε 40 χρόνια. Σε αυτό το γεγονός συνετέλεσαν οι εξής παράγοντες : (α) Η συνεχόμενη αύξηση του πληθυσμού ανά τον κόσμο και (β) η αυξανόμενη ζήτηση από τις ήδη αναπτυγμένες αλλά και αναπτυσσόμενες χώρες προκειμένω να βελτιωθεί το βιοτικό επίπεδο. Έπειτα η μόλυνση του περιβάλλοντος έχει ανεβεί σε επικίνδυνα όρια. Αμεσα η υγεία μας βλάπτεται από τις εκπομπές καπνού και δηλητηριωδών αερίων, διοξειδίου του θείου, οξειδίων του αζώτου, μονοξειδίου του άνθρακα, αλλά και η θερμοκρασία της γης ανεβαίνει από τη μεγάλη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα. Έτσι έχουμε το γνωστό πλέον φαινόμενο του θερμοκηπίου αλλά και άλλα δυσάρεστα φαινόμενα όπως για παράδειγμα οι όξινες βροχές. Οι πάγοι των δύο πόλων λιώνουν καθώς έχουμε αύξηση της μέσης θερμοκρασίας και παράλληλα λόγω της αλλαγής του κλίματος έχουμε ξηρασίες, πλημμύρες, ισχυρές θύελλες ακόμα και περισσότερες πυρκαγιές. Η καθαρή ενέργεια που δίνουν οι υδατοπτώσεις δεν καλύπτει παρά μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό των αναγκών. Η πυρηνική ενέργεια που δεν συνεπάγεται με εκπομπές ρυπογόνων ουσιών δημιουργεί μεγάλες ποσότητες πυρηνικών αποβλήτων, που δεν υπάρχει τρόπος να εξουδετερωθούν και υπάρχει κίνδυνος διαρροών μεγάλων ποσοτήτων ραδιενέργειας με ολέθριες συνέπειες για την ανθρωπότητα σε περίπτωση κάποιου ατυχήματος παρόμοιο με αυτό του Chernobil το 1986.

7 Κεφάλαιο Γ - Γuxti το Υδρογόνο Εμπρός σε αυτά τα τεράστια προβλήματα οι επιστήμονες στράφηκαν στην ανεύρεση καθαρών, ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Έτσι αναπτύχθηκαν πολύ οι ανεμογεννήτριες και τα ψωτοβολταϊκά στοιχεία, για την εκμετάλλευση της αιολικής και της ηλιακής ενέργεκτς. Η τεχνολογία τους συνεχώς εξελίσσεται, και ενώ αρχικά το κόστος τους ήταν απαγορευτικό, τώρα η απόδοση τους μεγαλώνει και οι τιμές ολοένα πέφτουν. Έτσι σε περιοχές με δυνατούς ανέμους εγκαθίστανται ανεμογεννήτριες που διοχετεύουν την ηλεκτρική ενέργεια που παράγουν στα δίκτυα ηλεκτροδότησης, και σε πολλά μέρη εγκαθίστανται φωτοβολταϊκά πάρκα, κυρίως για ηλεκτροδότηση απομονωμένων περιοχών. Το πρόβλημα με αυτές τις λύσεις είναι ότι δεν υπάρχει συνεχής παραγωγή ενέργειας γιατί όπως μπορεί να αντιληφθούμε δεν μπορούμε να έχουμε πάντα άνεμο ή ηλιοφάνεια. Γι αυτό το λόγο κρίθηκε απαραίτητο το να μπορούμε να έχουμε τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η αποθήκευση της ενέργειας γίνεται κυρίως με μπαταρίες. Για την αποθήκευση όμως μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας απαιτούνται μεγάλες και βαριές μπαταρίες που κοστίζουν αρκετά ακριβά και πιάνουν και μεγάλο χώρο. Άλλος τρόπος είναι η ανύψωση μίας ποσότητας νερού σε μια δεξαμενή που βρίσκεται ψηλά όταν υπάρχει περίσσια ρεύματος και η χρησιμοποίηση της ενέργειας της τττώσης του νερού σε δεξαμενή που βρίσκεται σε κατώτερο ύψος για την παραγωγή ηλεκτρισμού όταν η κατανάλωση είναι μεγάλη. Αντί αυτούς τους τρόπους αποθήκευσης υπάρχει η λύση του υδρογόνου που διερευνάται πολύ ιδιαίτερα τα τελευταία 25 χρόνια και μάλιστα εντατικά. Ήδη στην Ιαπωνία, στον Καναδά, στις ΗΠΑ και στη Γερμανία η λύση του υδρογόνου έχει μπει και σε ορισμένες εφαρμογές. Το υδρογόνο είναι καύσιμο με μεγάλη θερμαντική αξία, το προϊόν της καύσης του είναι μόνο το νερό και μπορεί να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς σημαντικές απώλειες. Αυτό το υδρογόνο που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι σύμφωνα με τους περιβαλλοντολόγους το ιδανικό καύσιμο αφού δεν υπάρχει περιβαλλοντικό κόστος στην παραγωγή και χρήση του υδρογόνου, όταν χρησιμοποιείται παράλληλα αιολική ή ηλιακή ενέργεια. Η μόνη έκλυση ρύπων υπάρχει κατά την κατασκευή, μεταφορά και εγκατάσταση των τεχνολογιών μετατροπής της αιολικής (ανεμογεννήτριες) ή ηλιακής (Φ/Β) ενέργειας και ίσως της ενέργειας για την μεταφορά του υδρογόνου. Το υδρογόνο δεν βλάπτει το περιβάλλον ούτε επηρεάζει το στρώμα του όζοντος, ενώ τα προϊόντα της καύσης του δεν περιέχουν σωματίδια (αιθάλη) ή διοξείδιο του άνθρακα. Εκτός από την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος θα ήταν ιδανικό να χρησιμοποιείται υδρογόνο και για την κίνηση των οχημάτων αντί των προϊόντων του πετρελαίου. Το υδρογόνο είναι όμως και δευτερογενές καύσιμο, δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση παρά μόνο στα ψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας, γγ αυτό πρέπει να καταναλωθεί ενέργεια για την παραγωγή του ή και άλλα πρωτογενή καύσιμα. Ένας μεγάλος τομέας στην έρευνα και στην ανάπτυξη για την χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο είναι η βελτιστοποίηση των μεθόδων παραγωγής του, ώστε το κόστος του να κατέβει σε ανταγωνιστικά επίπεδα σε σύγκριση με τα άλλα καύσιμα. Παράλληλα, γίνεται έρευνα ανάπτυξης για τους τρόπους αποθήκευσης και μεταφοράς του καθώς και για τις χρήσεις του.

8 Κεφα/Μ-νο 1 - Γιατί το Υδρογόνο Κλίνοντας αυτό το κεφάλαιο έχει σημασία να αναφέρουμε πως το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας σήμερα καλύπτεται από τα απολιθωμένα καύσιμα. Μόνον το 7% καλύπτεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η παγκόσμια ροπή στις μέρες μας όμως γέρνει ήδη προς αυτές καθώς οι μορφές της ανανεώσιμης ενέργειας δεν ρυπαίνουν τόσο και φυσικά δεν τελειώνουν. Το υδρογόνο είναι ένας από τους πιο ελπιδοφόρους ενεργειακούς φορείς για το προσεχές μέλλον. Μας παρέχει ενέργεια υψηλής αποδοτικότητας, με λίγα ρυπογόνα καύσιμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς. Στον παρακάτω πίνακα παρατίθενται μερικά στοιχεία για συγκρίσεις αποδοτικότητας απολιθωμένων καυσίμων με υδρογόνο (πίνακας 1.1). ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 Συγκρίσεις αποδοτικότητας χρησιμοποίησης των απολιθωμένων καυσίμων και του υδρογόνου 1Εφαρμογή Παράγοντας αποδοτικότητας χρησιμοποίησης Φ, =η/^πη Θερμική ενέργεια Καύση φλογών 1.00 Καταλυτική καύση 0.80 Παραγωγή ατμού 0.80 Ηλεκτρική ενέργεια, κυψέλες καυσίμων 0.54 Μεταφορά στην επιφάνεια της γης Μηχανές εσωτερικής καύσεως 0.82 Κυψέλες καυσίμων / ηλεκτρική μηχανή 0.40 Υποηχητική αεριωθούμενη μεταφορά 0.84 Υπερηχητική αεριωθούμενη μεταφορά 0.72 Σταθμισμένος μέσος όρος 0.72 Παράγοντας αποδοτικότητας χρησιμοποίησης υδρογόνου 1.00 Παράγοντας αποδοτικότητας χρησιμοποίησης απολιθωμένων καυσίμων 0.72

9 Κεφά/uuo 2 - Οι Ιδιότητες Του Υδρογόνου 2. ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ (Hj) Το υδρογόνο αποτελεί περίπου το 90% του σύμπαντος ως προς τη μάζα του, παρόλο που είναι το ελαφρύτερο στοιχείο. Είναι το απλούστερο στοιχείο καθώς αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Στη γη βρίσκεται κυρίως υπό τη μορφή του οξειδίου του - το νερό. Βρίσκεται, επίσης, σε αφθονία στους υδρογονάνθρακες που έχουν γενικό μοριακό τύπο CxHy, αλλά ως καθαρό στοιχείο βρίσκεται μόνο σε ίχνη (0,00001%) στην ατμόσφαιρα, διότι λόγω της ελαφρότητας του έχει την τάση να ανεβαίνει γρήγορα ψηλά και να διαφεύγει από την ατμόσφαιρα προς το διάστημα. Περισσότερο από το 30% της μάζας του ήλιου είναι ατομικό υδρογόνο. Είναι άγευστο, άχρωμο και άοσμο αέριο, με μοριακό βάρος 2,016. Η πυκνότητα του είναι 0,0899 g/l (14,4 φορές μικρότερη του αέρα), και βράζει στους -257,77 C. Το υγρό υδρογόνο έχει πυκνότητα 70,99 g/l. Με αυτές τις ιδιότητες το υδρογόνο έχει την υψηλότερη αναλογία ενέργειας προς βάρος από όλα τα καύσιμα επομένως ταιριάζει σε εφαρμογές που έχει σημασία το βάρος παρά ο όγκος. 1 kg υδρογόνου καιγόμενο δίνει 119,972 kj δηλαδή 1 kg υδρογόνου περιέχει το ίδιο ποσό ενέργειας με 2,1 kg βενζίνης. Να αναφερθεί ότι στο νερό περιέχεται κατά 11,2 %. Το υδρογόνο καίγεται στον αέρα σε συγκεντρώσεις μεταξύ 4 και 75% κατ' όγκο, ενώ το μεθάνιο καίγεται μεταξύ 5,3 και 15% και το προπάνιο μεταξύ 2,1 και 9,5% συγκεντρώσεων κατ όγκο. Η υψηλότερη θερμοκρασία καύσεως του υδρογόνου είναι 2318 C όταν καίγεται σε αναλογία 29% στον αέρα, ενώ σε ατμόσφαιρα οξυγόνου η θερμοκρασία φτάνει τους 3000 C. Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την ανάφλεξη είναι 0,02 πιϋ για το υδρογόνο 2,29 πιϋ για το μεθάνιο και 0,26 mj για το προπάνιο σε στοιχειομετρική αναλογία καυσίμου / οξυγόνου. Οι θερμοκρασίες για την αυθόρμητη καύση του υδρογόνου, του μεθανίου και του προπανίου είναι 585 C, 540 C και 487 C αντίστοιχα. Τα όρια έκρηξης του υδρογόνου είναι μεταξύ 13% και 65%, ενώ του μεθανίου είναι πολύ μικρότερα μεταξύ 6,3 και 14% αλλά το μεθάνιο εκρήγνυται σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις. Ο συντελεστής διάχυσης του υδρογόνου είναι 0,61 cm^/s, 4 φορές μεγαλύτερος από του μεθανίου. Επομένως το υδρογόνο αναμειγνύεται με τον αέρα πολύ πιο γρήγορα από ότι το μεθάνιο ή οι απλές βενζίνες, κι αυτό είναι πλεονέκτημα σε ανοιχτούς χώρους αλλά αποτελεί αοβαρό μειονέκτημα σε εσωτερικούς χώρους με κακό εξαερισμό. Εφόσον το υδρογόνο και το φυσικό αέριο είναι ελαφρότερα από τον αέρα ανεβαίνουν γρήγορα ψηλά, ενώ αντιθέτως το προπάνιο και οι ατμοί βενζίνης είναι βαρύτεροι από τον αέρα και παραμένουν στο έδαφος, οπότε υπάρχει μεγαλύτερος κίνδυνος έκρηξης. Σύμφωνα με την πυκνότητα κατά βάρος και κατ όγκο του υδρογόνου αλλά και των άλλων ενεργειακών φορέων, βλέπουμε στον πίνακα 2.1 μία συγκριτική έρευνα.

10 Κεφάλαιο 2 - Οι Ιδιότητες Του Υδρογόνου Ενεργειακός φορέας Ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα βάρους (kwh/kg) Ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου (kwh/lt) Υδρογόνο Φ.Α. LPG (προπάνιο) Μεθανόλη Βενζίνη Μτταταρίες Μολύβδου j 33,3 13,9 12,9 5,6 12,7 0, ,53 2,6 7,5 4,4 8,7 0,09 i Το υδρογόνο έχει μεγάλη τάση διαρροής και δραπετεύει σχετικά εύκολα και γρήγορα εάν βρει διέξοδο. Μπορεί να διαρρεύσει κατά 1,26 έως και 2,6 φορές πιο γρήγορα από το φυσικό αέριο. Εάν κάποια στιγμή είχαμε κάποια διαρροή, το υδρογόνο θα διασκορπιζόταν πολύ πιο γρήγορα από οποιοδήποτε άλλο καύσιμο. Στον πίνακα 2.2 έχουμε τη σύγκριση ιδιοτήτων και ποσοστών διαρροής υδρογόνου και φυσικού αερίου.

11 Κεφάλαιο Τ - Οι Ιδιότητες Του Υδρογόνου ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2 Ιδιότητες και ττοσοστά διαρροών υδρογόνου και φυσικού αερίου. Υδρογόνο Φυσικό αέριο Παράμετροι ροής Διάχυση coef. {cm^ls) Ιξώδες (μ-poise) Πυκνότητα (kg/m ) Ηχητική ταχύτητα (m/s) Σχετικά ποσοστά διαρροών Διάχυση Ελασματική ροή Ταραχώδης ροή Ηχητική ροή Τέλος στον ττίνακα που ακολουθεί φαίνονται συνοπτικά οι κύριες ιδιότητες του υδρογόνου.

12 Κεφάλαιο 2 - Οι Ιδιότητες Του Υδρογόνου ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3 Ιδιότητες του υδρογόνου Μοριακό βάρος Πυκνότητα kg/m' Υψηλότερη αξία θέρμανσης MJ/kg MJ/m^ Χαμηλότερη αξία θέρμανσης MJ/kg 119,90 MJ/rn^ Θερμοκρασία βρασμού K 20.3 Πυκνότητα ως υγρό kg/m^ 70.8 Κρίσιμο σημείο θερμοκρασία K ττίεση bar ττυκνότητα kg/m^ Θερμοκρασία αυτανάφλεξης K 858 Όρια ανάφλεξης στον αέρα (%) 4-75 Στοιχειομετρικό μίγμα στον αέρα (%) Θερμοκρασία φλογών στον αέρα K 2,318 Συντελεστής διάχυσης cmvs 0.61 Συγκεκριμένη θερμότητα (Cp) kj/(kg-k) 14.89

13 Κεφάλαιο 3 - Μέθοδοι Παραγωγής Υδρογόνου 3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Το υδρογόνο δεν βρίσκεται ελεύθερο στη φύση, για αυτό χρειάζεται να παραχθεί από τις ενώσεις του, με μεθόδους που απαιτούν ενέργεια. Βρίσκεται δεσμευμένο σε οργανικές ουσίες και στο νερό και αποτελεί το 70% της επιφάνειας της γης. Από την διάσπαση αυτών των χημικών ενώσεων παράγεται το υδρογόνο το οποίο έπειτα το χρησιμοποιούμε ως καύσιμο. Σήμερα, σχεδόν όλη η παραγωγή υδρογόνου είναι βασισμένη στις απολιθωμένες πρώτες ύλες. Παγκοσμίως το 48% του υδρογόνου παράγεται από το φυσικό αέριο, το 30% από το πετρέλαιο (συνήθως που καταναλώνεται στις εγκαταστάσεις καθαρισμού), το 18% από τον άνθρακα και το υπόλοιπο (4%) μέσω της ηλεκτρόλυσης ύδατος. Υπάρχουν πολυάριθμοι τρόποι για την διάσπαση αυτών των χημικών ενώσεων. Παρακάτω περιγράφονται οι μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου οι οποίες χρησιμοποιούνται αυτή την περίοδο ή είναι υπό έρευνα και ανάτπυξη. 3.1 Θερμοχημικές τεχνολογίες για την παραγωγή υδρογόνου Αναμόρφωση υδρογονανθράκων Από τα περίπου 400 δισ. Nm^ υδρογόνου που παράγονται ετησίως στον κόσμο, οι μεγαλύτερες ποσότητες προέρχονται από την αναμόρφωση του φυσικού αερίου, βιοαερίου και ελαφρών κλασμάτων πετρελαίου με την επίδραση υδρατμών, παρουσία καταλυτών. Η μέθοδος είναι σχετικά απλή. Μια ποσότητα υδρογονανθράκων αναμιγνύεται αρχικά με υπέρθερμο ατμό σε περίπου 1100 C, υπό πίεση και παρουσία ενός μεταλλικού καταλύτη - συνήθως με βάση νικέλιο. Ο άνθρακας μέσα στο καύσιμο οξειδώνεται από το οξυγόνο του ατμού προς το μονοξείδιο του άνθρακα και το υδρογόνο μέσα στον ατμό και στο καύσιμο ελευθερώνεται. Το μονοξείδιο του άνθρακα στην συνέχεια υφίσταται μια κατεργασία με υδρατμό σε C για να παραχθεί περισσότερο υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Είναι προφανές ότι η εκπομπή CO και C0 2 είναι αναπόφευκτη και το μεν μονοξείδιο είναι δηλητηριώδες το δε διοξείδιο συμβάλλει σημαντικά στη δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου. Παρόλα αυτά, η εξαγωγή του υδρογόνου από το φυσικό αέριο (μεθάνιο-οη4), αποσπώντας 4 άτομα υδρογόνου από κάθε άτομο άνθρακα, είναι πολύ καθαρή και αποδοτική, οδηγώντας σε υποτριπλασιασμό των εκπομπών άνθρακα στο περιβάλλον σε σχέση με τη συμβατική χρήση. Οι αντιδράσεις αυτές απαιτούν ενέργεια, που σημαίνει ότι το 20% εώς 30% των υδρογονανθράκων καταναλίσκονται κατά την μετατροπή. Το παραχθέν υδρογόνο πρέπει στη συνέχεια να καθαριστεί από άλλα αέρια.

14 Κεφάλαιο 3 - Μέθοδοι Παραγιογής Υδρογόνου Μερική οξείδωση - αεριοποίηση Η αεριοποίηση ή απανθράκωση ανθράκων είναι η παλαιότερη μέθοδος παραγωγής υδρογόνου. Πρόκειται για θέρμανση άνθρακα στους 900 C με υδρατμούς και καθαρό οξυγόνο, που τον διασπούν σε υγρά, αέρια και στερεά προϊόντα. Το αέριο προϊόν της διεργασίας είναι κυρίως υδρογόνο. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλα ανθρακούχα υλικά όπως η βιομάζα, τα αστικά-γεωργικά απόβλητα κ.α Αεριοποίηση και πυρόλυση βιομάζας Οι τεχνικές θερμικής επεξεργασίας για το φυτικό ιστό (βιομάζα) και τα απολιθωμένα καύσιμα είναι παρόμοιες. Χρησιμοποιώντας τα γεωργικά υπολείμματα και τα απόβλητα ή τη βιομάζα που αυξάνεται συγκεκριμένα για τις ενεργειακές χρήσεις, το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί μέσω της πυρόλυσης ή της αεριοποίησης. Η πυρόλυση της βιομάζας παράγει ένα υγρό προϊόν (βιο-λάδι) που όπως το πετρέλαιο, περιέχει ένα ευρύ φάσμα συστατικών που μπορούν να χωριστούν σε πολύτιμες χημικές ουσίες και σε καύσιμα. Αντίθετα από το πετρέλαιο, το βιολάδι περιέχει έναν σημαντικό αριθμό ιδιαίτερα αντιδραστικών οξυγονωμένων συστατικών που προέρχονται κυρίως από τους συστατικούς υδατάνθρακες και την λιγνίνη. Αυτά τα συστατικά μπορούν να μετασχηματιστούν σε προϊόντα, συμπεριλαμβανομένου του υδρογόνου. Η αεριοποίηση της βιομάζας θα μπορούσε να αποδειχθεί μια φθηνή μέθοδος παραγωγής υδρογόνου στο μέλλον, αφού μπορεί να δώσει 12-17% υδρογόνο κατά βάρος. Θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί και σε αστικά απόβλητα, που περιέχουν περίπου 70% βιομάζα κατά βάρος.

15 Κεφά>Λΐο 3 - Μέθοδοι Παραγιογής Υδρογόνου Θερμική διάσπαση υδρογονανθράκων Αυτή η μέθοδος αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '80. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, το φυσικό αέριο και διάφορα κλάσματα του πετρελαίου, με θερμική διάσπαση, δίνουν υδρογόνο και καθαρό άνθρακα στη μορφή σκόνης. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονται οι εκπομπές μονοξειδίου και διοξειδίου, ενώ η σκόνη άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία ελαστικών ή να αποθηκευθεί στο υπέδαφος. Το κόστος είναι υψηλότερο από αυτό της αναμόρφωσης υδρογονανθράκων, καθώς απαιτείται πολλή ενέργεια και η εφαρμογή είναι ακόμα αρκετά περιορισμένη. Στη Νορβηγία έχει αναπτυχθεί η μέθοδος Kvaerner, κατά την οποία οι υδρογονάνθρακες διασπώνται σε καθαρό άνθρακα και υδρογόνο σε θερμοκρασία 1600 C (plasma-arc process). Εκτός από την ενέργεια για την διάσπαση απαιτείται ετππλέον ηλεκτρική ενέργεια και νερό για ψύξη. Από το 1992 λειτουργεί μια πιλοτική εγκατάσταση και τώρα σχεδιάζεται να γίνει μια μεγάλη βιομηχανική μονάδα παραγωγής Nm% υδρογόνου, 3.2 Φωτολυτικές τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου Φωτοβιολογικές μέθοδοι Ορισμένα φωτοσυνθετικά μικρόβια παράγουν το υδρογόνο στις μεταβολικές δραστηριότητές τους χρησιμοποιώντας την ενέργεια του φωτός. Με τη χρήση καταλυτών και των κατάλληλων μηχανικών συστημάτων, η αποδοτικότητα παραγωγής υδρογόνου θα μπορούσε να φθάσει 24%. Αν και η φωτοβιολογική μέθοδος είναι πολλά υποσχόμενη για την μακροπρόθεσμη παραγωγή υδρογόνου, έχει δύο σημαντικά μειονεκτήματα. Την χαμηλή απόδοση (5-6%) μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ενέργεια με την μορφή υδρογόνου και το γεγονός ότι η δραστηριότητα των ενζύμων εμποδίζεται από την παρουσία οξυγόνου, που παράγεται επίσης από την διάσπαση του νερού. Οι ερευνητές αντιμετωπίζουν αυτό το ζήτημα με τη διαλογή φυσικών οργανισμών που είναι πιο ανθεκτικοί στο οξυγόνο. Επίσης δημιουργούν νέες γενετικές μορφές οργανισμών που υποστηρίζουν την παραγωγή υδρογόνου παρουσία οξυγόνου. Ένα νέο σύστημα αναπτύσσεται το οποίο χρησιμοποιεί έναν μεταβολικό διακόπτη που αποσκοπεί στην στέρηση θείου για την ανακύκλωση των κυττάρων των φυκών, μεταξύ των φάσεων φωτοσυνθετικής αύξησης και παραγωγής υδρογόνου.

16 Κεφάλαιο 3 - Μέθοδοι Παραγιογής Υδρογόνου Σε αντίθεση με τα κυανοβακτήρια ή τα φύκια, τα φωτοσυνθετικά βακτήρια δεν οξειδώνουν το νερό. Εντούτοις, εξελίσσουν το υδρογόνο από τη βιομάζα (η οποία έχει παραχθεί προηγουμένως από το ηλιακό φως, το νερό, και το διοξείδιο του άνθρακα). Αυτά τα βακτήρια χρησιμοποιούν αρκετούς διαφορετικούς ενζυματικούς μηχανισμούς έχοντας την δυνατότητα βραχυπρόθεσμης βιολογικής παραγωγής υδρογόνου από τη βιομάζα. Ένας τέτοιος μηχανισμός εξασφαλίζει την λειτουργία του στις εφαρμογές ως βιολογικός παράγοντας ο οποίος θα αναβαθμίσει τα θερμικά παραγόμενα αέρια καύσιμα, σε τέτοιο επίπεδο όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα στις κυψέλες καυσίμων υδρογόνου. Αυτό το σύστημα έχει τη δυνατότητα να εξελιχθεί μετέπειτα σε μια δεύτερης γενεάς φωτοβιολογική μέθοδο για την παραγωγή υδρογόνου από το νερό Φωτοηλεκτροχημική μέθοδος (Φωτοηλεκτρόλυση) Η τεχνολογία πολυσυνδέσεων κυττάρων που αναπτύσσεται από την βιομηχανία φωτοβολταϊκών συστημάτων, χρησιμοποιείται για τα φωτοηλεκτροχημικά συστήματα (PEC) συγκομιδής φωτός τα οποία παράγουν ικανοποιητική τάση ώστε να διαχωρίζουν το νερό και είναι σταθερά σε περιβάλλον νερού-ηλεκτρολυτών. Ο θεωρητικός βαθμός απόδοσης για τα συστήματα διαδοχικών συνδέσεων είναι 42%. Στην πράξη τα συστήματα αυτά θα μπορούσαν να επιτύχουν βαθμό απόδοσης 18%-24%. Τα χαμηλού κόστους συστήματα πολυσυνδέσεων άμορφου πυριτίου (α-5ί) θα μπορούσαν να επιτύχουν αποδοτικότητα 7%-12%. Αυτό είναι ένα από τα πλεονεκτήματα της άμεσης μετατροπής σε ένα αύστημα παραγωγής υδρογόνου. Όχι μόνο μειώνει το κόστος της ηλεκτρόλυσης, αλλά έχει επίσης την δυνατότητα να αυξάνει τον βαθμό απόδοσης της όλης διαδικασίας. Τα ερευνητικά αποτελέαματα για την ανάτπυξη των συστημάτων διαχώρισης νερού PEG, έχουν παρουσιάσει αποδοτικότητα 12,4% της χαμηλότερης θερμαντικής αξίας (LHV) χρησιμοποιώντας συγκεντρωμένο φως. Οι χαμηλού κόστους διατάξεις διαδοχικής σύνδεσης (a-si) με την κατάλληλη σταθερότητα και απόδοση βρίσκονται σε ανάπτυξη. Μια υπαίθρια δοκιμή κυττάρων (α-5ί) οδήγησε σε μια αποδοτικότητα 7,8% (LHV) υπό το φως του ήλιου.

17 Κεφάλαιο 3 - Μέθοδοι Παραγωγής Υδρογόνου 3.3 Ηλεκτρόλυση του νερού Η ηλεκτρόλυση είναι η διάσπαση μίας ουσίας και στην περίτπωση μας του νερού, όταν διαπερνόται από ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό μπορεί να γίνει κανονικά σε διαλύματα αλάτων οξέων ή βάσεων. Η προσθήκη ενός ηλεκτρολύτη όπως το χλωριούχο νάτριο (αλάτι) βελτιώνει την αγωγιμότητα του νερού και αυξάνει την αποδοτικότητα της διαδικασίας. Ο χημικός δεσμός μεταξύ του υδρογόνου και του οξυγόνου σπάει και δημιουργούνται τα αντίθετα φορτισμένα ιόντα των στοιχείων (Η* και Ο'^). Τα ιόντα με τη σειρά τους διαμορφώνουν δύο πόλους την άνοδο, όπου συγκεντρώνονται τα θετικά φορτισμένα ιόντα και την κάθοδο όπου συγκεντρώνονται τα αρνητικά. Έτσι η άνοδος έλκει τα ιόντα του οξυγόνου και η κάθοδος τα ιόντα του υδρογόνου λόγω αντίθετου φορτίου. Μία τάση λοιπόν γύρω στα 1,24 V μπορεί να διαχωρίσει 1,03 Kgr νερού υπό πίεση στα συστατικά του στους 25 C. Η απαίτηση για τάση θα αυξομειώνεται όσο μεταβάλλεται η πίεση και η θερμοκρασία. Η ηλεκτρόλυση του νερού είναι η πιο καθαρή μέθοδος παραγωγής του υδρογόνου, που φυσικά χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια. Εάν χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια προερχόμενη από ορυκτά καύσιμα το πρόβλημα της ρύπανσης του περιβάλλοντος παραμένει. Η πυρηνική ενέργεια είναι μια δυνατότητα που σιγά σιγά εγκαταλείπεται λόγω των μεγάλων κινδύνων που εγκυμονεί. Έτσι λοιπόν καταλήγουμε πως μόνο με την χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μπορούμε να παράγουμε ηλεκτρισμό «καθαρά» και με ασφάλεια έτσι ώστε να πετύχουμε την ηλεκτρόλυση. Σε μέρη που υπάρχουν άφθονες υδατοτπώσεις όπως η Βραζιλία και ο Καναδάς παράγεται υδρογόνο με χρήση υδροηλεκτρικής ενέργειας. Το κόστος παραγωγής ανέρχεται περίπου σε 12 $ ανά GJ. Αλλες πηγές ενέργειας μπορούν να είναι η ηλιακή ενέργεια μέσω φωτοβολταϊκών στοιχείων σε χώρες με μεγάλη ηλιοφάνεια, η αιολική ενέργεια σε μέρη με ισχυρούς ανέμους και η γεωθερμία. Οι μέθοδοι αυτές, είναι ιδανικές για απομονωμένες περιοχές με μεγάλες ελεύθερες εκτάσεις, ιδίως τα φωτοβολτάίκά που καταλαμβάνουν πολύ χώρο.

18 Κεφάλαιο 3 - Μέθοδοι Παραγο)γής Υδρογόνου Το κόστος τταραγωγής υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια προς στιγμήν είναι αρκετά υψηλό και ανέρχεται γύρω στα 50 $ ανά GJ ή και υψηλότερο. Όμως υπάρχουν μεγάλες προοπτικές το κόστος αυτό να ελαττωθεί σημαντικά εάν γίνουν πολλές εγκαταστάσεις και αυξηθεί η μαζική παραγωγή τους. Το κόστος των ηλεκτρολυτικών συσκευών είναι επίσης υψηλό διότι χρειάζονται ειδικές προδιαγραφές λόγω των μεγάλων αυξομειώσεων του ρεύματος, κόστος το οποίο ελαττώνεται κι αυτό εκθετικά με την αύξηση της παραγωγής τους. Στην Γερμανία το 1986 άρχισαν παράλληλα δύο μεγάλα προγράμματα για παραγωγή υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια. Το ένα έγινε στη Βαυαρία με κρατική χρηματοδότηση εν μέρει και συμμετοχή μεγάλων εταιριών. Εκεί λοιπόν εγκαταστάθηκε μία μονάδα επίδειξης ισχύος περίπου 250 KW για παραγωγή υδρογόνου με φωτοβολταΐκά στοιχεία και χρήση του σε στοιχεία καυσίμου, καταλυτικούς καυστήρες, τροφοδοσία οχημάτων κ.λ.π. Από αυτή τη μονάδα αποκτήθηκε πολύτιμη πείρα σχετικά με την λειτουργία των φωτοβολταϊκών στοιχείων διαφόρων τύπων, τα προβλήματα της ηλεκτρόλυσης, τον τρόπο αποθήκευσης και μετάγγισης του υδρογόνου κ.λ.π. στην οποία βασιστήκανε για την ανάτπυξη πιο τελειοποιημένων συστημάτων. Το δεύτερο πρόγραμμα έγινε σε συνεργασία του Ομοσπονδιακού Υπουργείο Εκπαίδευσης, Επιστήμης, Έρευνας και Τεχνολογίας της Γερμανίας με την Σαουδική Αραβία με το «King Abdulaziz City of Science», και ονομάστηκε Hysolar. Πραγματοποιήθηκε μία μονάδα επίδειξης με ένα σταθμό φωτοβολταϊκών στοιχείων στο Riyadh ισχύος 350 KW και παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση του νερού. Έγιναν πολλές δοκιμές για την καλή λειτουργία της μονάδας και για διάφορες χρήσεις του υδρογόνου, έτσι αποκτήθήκε πολύτιμη εμπειρία. Η χρήση της αιολικής ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση κοστίζει λιγότερο, με τιμές που ανέρχονται γύρω στα 30 $ ανά GJ. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται ήδη στην Αριζόνα καθώς και στην Ιρλανδία. Στην Καλιφόρνια η εταιρία Hygen Intustries LLC, ανακοίνωσε ότι θα δημιουργήσει την πρώτη στον κόσμο πιλοτική εμπορική μονάδα πολλών MW τροφοδοτούμενη εξ ολοκλήρου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων, αιολικής ενέργειας και πιθανώς την ενέργεια των παλιρροιακών κυμάτων. Η μονάδα αυτή θα πραγματοποιηθεί χάρη στην εμπειρία που αποκτήθηκε από το πρόγραμμα «Καθαρός αέρας τώρα» στην Xerox, στο ΕΙ Segundo της Καλιφόρνιας, όπου το υδρογόνο παραγόταν από φωτοβολταΐκά στοιχεία και χρησιμοποιούταν ως καύσιμο σε οχήματα.

19 Κεφάλαιο 4 - Αποθήκευση Και Μεταφορά Υδρογόνου 4. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 4.1 Τεχνολογίες αποθήκευσης και μεταφοράς υδρογόνου Το υδρογόνο, όπως έχουμε τονίσει είναι ο ιδανικός υποψήφιος για την αντικατάσταση των απολιθωμένων καύσιμων επειδή είναι διαθέσιμο από τους εσωτερικούς ανανεώσιμους πόρους, και επειδή δεν ρυπαίνει. Παρ όλα αυτά όμως η έλλειψη μιας κατάλληλης και οικονομικής λύσης για την αποθήκευση του υδρογόνου παραμένει ένα σημαντικό εμπόδιο στη διαδεδομένη χρήση του. Ήδη γίνονται ολοένα και περισσότερες βελτιώσεις στις ενεργειακές πυκνότητες στα συστήματα αποθήκευσης υδρογόνου, στην συμβατότητα με τα διαθέσιμα και προβλεπόμενα συστήματα καθώς και στη μείωση του κόστους έτσι ώστε να έχουμε χρήση του υδρογόνου στην καθημερινή μας ζωή. Η πυκνότητα του υδρογόνου είναι 0,0899 g/lt (σε κανονικές συνθήκες) δηλαδή 14,4 φορές μικρότερη από τον αέρα. Κατά συνέπεια ο συντελεστής διάχυσης του είναι 0,61 cm^/s. Επιπλέον αντιδρά με διάφορα υλικά όπως για παράδειγμα οι χάλυβες υψηλής ποιότητας, κάνοντας τους εύθραυστους ενώ υγροποιείται στους -253 C. Για αυτούς τους λόγους είναι δύσκολη η μεταφορά και η αποθήκευση του υδρογόνου. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος αποθήκευσης του υδρογόνου είναι στην αέρια μορφή του, σε δεξαμενές ή σε κυλίνδρους, υπό πίεση Bar. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων σε υπόγειες σπηλιές ή σε εξαντλημένα πηγάδια ορυχείων που περιβάλλονται από πορώδη ντεπόζιτα με διπλά τοιχώματα από χάλυβα ή από αλουμίνιο. Ανάμεσα στα τοιχώματα υπάρχει κενό αέρος. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται οικονομία χώρου (80% μικρότερος όγκος σε σύγκριση με το αέριο υδρογόνο υπό πίεση) αλλά απαιτείται ενέργεια που ισοδυναμεί με το 40% της ενέργειας που περιέχεται στο υδρογόνο. Επίσης είναι δυνατό να γίνει αποθήκευση υδρογόνου κατά την οποία αυτό θα είναι ενωμένο με κάποιο υλικό, είτε ως υδρίδιο, είτε με προσρόφηση. Με τη μέθοδο αυτή μειώνεται σημαντικά ο όγκος που καταλαμβάνει το υδρογόνο ως αέριο χωρίς να απαιτούνται υψηλές πιέσεις. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται επίσης η αντίδραση του υδρογόνου με άλλα υλικά ενώ αποφεύγεται ο κίνδυνος έκρηξης ή πυρκαγιάς. Τα δοχεία μπορούν να είναι οποιουδήποτε σχήματος με αποτέλεσμα να ευνοείται η χρήση τους στις μεταφορές. Η πιο πρόσφατη μέθοδος αποθήκευσης υδρογόνου είναι η προσρόφηση σε ίνες άνθρακα. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου σε σχέση με τα υδρίδια των μετάλλων είναι η σημαντική μείωση βάρους (περίπου 50%). Η παραγωγή όμως των ινών απαιτεί αρκετά μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Η αποθήκευση και η μεταφορά λοιπόν του υδρογόνου επιτυγχάνεται με τους εξής τρόπους: Συμπιεσμένες δεξαμενές αποθήκευσης αερίου Υδρίδια κραμάτων μετάλλων Προσρόφηση σε ίνες άνθρακα

20 Κεφάλαιο 4 - Αποθήκευση Και Μεταφορά Υδρογόνου Κάθε μία από αυτές τις μεθόδους έχει μεν τις επιθυμητές ιδιότητες αλλά από την άλλη καμία δεν προσεγγίζει ικανοποιητική αποδοτικότητα. Επίσης δεν έχουν καλή προσέγγιση στους τομείς του μεγέθους, του βάρους, του κόστους και της ασφάλειας. Παρ όλα αυτά όμως οι ερευνητές τα τελευταία χρόνια έχουνε κάνει σημαντικές προόδους σε όλες τις προσεγγίσεις Συμπιεσμένες δεξαμενές αποθήκευσης αερίου Αυτή την περίοδο το συμπιεσμένο αέριο είναι η μόνη εμπορικά διαθέσιμη μέθοδος για την αποθήκευση του υδρογόνου για ένα όχημα. Το υδρογόνο συμπιέζεται και αποθηκεύεται σε 24,8 MPa σε έναν συμβατικό κύλινδρο από αργίλιο. Έτσι οδηγούμαστε σε μια ογκομετρική πυκνότητα αποθήκευσης που ανέρχεται στα 12 Kg υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο και σε μία βαρομετρική πυκνότητα 2 wt % (γραμμάρια ανά γραμμάριο βάρους συστημάτων). Οι τυλιγμένοι από ίνες πολυμερείς κύλινδροι επιτυγχάνουν υψηλότερες πυκνότητες (15 Kg/m^ και 5 wt%) αλλά ακόμα και αυτοί είναι μέχρι στιγμής αρκετά κάτω από τις τιμές που απαιτούνται στον τομέα των μεταφορών (62 Kg/m^ και 6,5 wt%). Αυτά τα συστήματα δεξαμενών αναμένεται να αναπτυχθούν πλήρως τα επόμενα χρόνια και να ξεπεράσουν τα 12wt% σε 33,8 MPa Υδρίδια κραμάτων μετάλλων Το υδρογόνο σε αυτή την περίτπωση είναι ενωμένο με κάποιο υλικό και σχηματίζει ένα υδρίδιο. Το πλεονέκτημα σε αυτή την περίτπωση είναι ότι μπορούν να επιτευχθούν πολύ υψηλές πυκνότητες ατόμων υδρογόνου κι έτσι αυξάνεται το ποσόν του υδρογόνου που μπορεί να αποθηκευθεί μέσα σε ένα δεδομένο χώρο πολύ περισσότερο από τη συμπίεση του αερίου, π.χ. για την ίδια ποσότητα υδρογόνου ο όγκος που θα καταλαμβάνει ως υδρίδιο είναι περίπου τα 2/3 του όγκου του αερίου υπό πίεση 200 bar, και η πίεση είναι μόνο 10 bar. Βεβαίως το βάρος εξαρτάται από το βάρος του υλικού που χρησιμοποιείται, συνήθως το ίδιο το υδρογόνο δεν ζυγίζει πάνω από το 10 % του συνολικού βάρους. Τα συμβατικά υδρίδια των μετάλλων υψηλής ικανότητας απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες ( C) για να ελευθερώσουν το υδρογόνο, αλλά η ικανοποιητική θερμότητα δεν είναι γενικά διαθέσιμη. Τα υδρίδια μπορεί να είναι στερεά υγρά ή και αέρια. Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα είναι κράματα μετάλλων, όπως τιτανίου - σιδήρου και λανθανίου - νικελίου. Το υδρογόνο εισάγεται ως αέριο υπό πίεση και ελευθερώνεται ως αέριο πάλι με την θέρμανση του δοχείου. Αυτήν την περίοδο υπάρχουν υδρίδια χαμηλής θερμοκρασίας που όμως έχουν χαμηλές βαρομετρικές ενεργειακές πυκνότητες. Επίσης η διάταξη τους είναι ογκώδης και με μεγάλο βάρος, πράγμα που δυσχεραίνει τη χρήση τους στα οχήματα. Οι ερευνητές αναπτύσσουν αυτά τα συστήματα υδριδίων μετάλλων έτσι ώστε να μπορούν να αποθηκεύουν 3-5 wt% υδρογόνου. Για τις υψηλές θερμοκρασίες έχουν αναπτυχθεί τεχνικές ανάμειξης που οδηγούν σε κράματα πολλών συστατικών με μεγάλη χωρητικότητα. Η έρευνα που γίνεται τώρα είναι για να βρεθούν τα κατάλληλα κράματα με τις κατάλληλες ιδιότητες και στις χαμηλές θερμοκρασίες.

21 Κεφάλαιο 4 - Αποθήκευση Και Μεταφορά Υδρογόνου Μια νέα προσέγγιση για τη μεταφορά και την αποθήκευση του υδρογόνου είναι αυτή που χρησιμοποιεί ένα χημικό πυλό υδριδίων ως μεταφορέα υδρογόνου. Ο πυλός προστατεύει το υδρίδιο από την απρόβλεπτη επαφή με την υγρασία. Στο σημείο της αποθήκευσης και της χρήσης χρησιμοποιείται μια αντίδραση των υδριδίων με το νερό έτσι ώστε να έχουμε πιο καθαρό υδρογόνο. Ένα χαρακτηριστικό της διαδικασίας αυτής είναι η επαναχρησιμοποίηση του υδριδίου σε συγκεντρωμένες εγκαταστάσεις επεξεργασίας. Τα διάφορα καθαρά ή αναμεμειγμένα μέταλλα μπορούν να συνδυαστούν με το υδρογόνο, παράγοντας τα σταθερά υδρίδια των μετάλλων. Τα υδρίδια όταν θερμαίνονται αποσυντίθενται και απελευθερώνουν το υδρογόνο. Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευθεί υπό μορφή υδριδίου σε υψήλότερες πυκνότητες. Η χρησιμοποίηση αυτού του ασφαλούς και αποδοτικού συστήματος εξαρτάται από τον προσδιορισμό ενός μετάλλου που έχει ικανοποιητική ικανότητα προσρόφησης στις κατάλληλες θερμοκρασίες. Στον πίνακα 4.1 βλέπουμε και συγκρίνουμε κάποιες ουσίες που λειτουργούν σαν μέσα αποθήκευσης υδρογόνου. Μέσο ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1 Ουσίες ως μέσα αποθήκευσης υδρογόνου Περιεκτικότητα σε υδρογόνο kg/kg Ικανότητα αποθήκευσης kg/l of νοι. Ενέργεια πυκνότητα kj/kg Ενέργεια πυκνότητα kj/l of νοι, MgH: , Mg2NiH ,484 11,494 VHj FeTiHi , TiFeo.7Mno.2Hi ,440 12,770 LaNisHT.o ,944 12,630 R.E.NisHes ,915 12, Προσρόφηση σε ίνες άνθρακα Η προσρόφηση μορίων υδρογόνου σε ενεργοποιημένο άνθρακα έχει μελετηθεί εκτενώς στο παρελθόν. Το ποσό του υδρογόνου που αποθηκεύεται μπορεί να πλησιάσει την πυκνότητα αποθήκευσης του υγρού υδρογόνου. Τα συστήματα αυτά απαιτούν χαμηλές θερμοκρασίες ενώ υπό έρευνα είναι παρόμοια συστήματα που μπορούν να αποθηκεύσουν σημαντική ποσότητα υδρογόνου σε θερμοκρασία δωματίου.

22 Κεφάλαιο 4 - Αποθήκευση Και Μεταφορά Υδρογόνου Το 1997 μία ομάδα εν ονόματι «NREL» ασχολήθηκε με την αττοθήκευση του υδρογόνου και έδειξε ότι με το αέριο υδρογόνο μπορούμε να πετύχουμε υψηλή πυκνότητα μέσα σε ειδικούς νανοσωλήνες από άνθρακα. Επιστήμονες του πανεπιστημίου του Hong Kong και της εταιρίας NEC στην Ιαπωνία, ανεξάρτητα η μία από την άλλη, δημιούργησαν τους στενότερους, σταθερούς νανοσωλήνες από άτομα του άνθρακα με διάμετρο μόλις 0,4 nm. Η δομή τους μοιάζει με μπάλα ποδοσφαίρου και ονομάστηκε buckminsterfullerene από το όνομα του αρχιτέκτονα ΒυοΚπιίηεΙβτ Fuller που είχε κατασκευάσει παρόμοιες δομές. Οι νανοσωλήνες αυτοί έχουν προκαλέσει τρομερή έξαψη για τις πολύ ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές και μηχανικές τους ιδιότητες. Συγκεκριμένα είναι χημικά αδρανείς και πολύ ανθεκτικοί ενώ επιστήμονες πιστεύουν πως οι δομές αυτές μπορούν να σφυρήλατηθούν σε λεπτά σύρματα για δημιουργία άκρως μικρών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, micro-computers και άκρως λεπτές τηλεοράσεις. Ανάμεσα στις πολυάριθμες πιθανές εφαρμογές των δομών αυτών, οι ερευνητές ξεχωρίζουν τη δημιουργία δεξαμενών για την αποθήκευση του υδρογόνου. Το αέριο αυτό λοιπόν καταλαμβάνει μεγάλο όγκο και η συμπίεση του είναι δύσκολη και ακριβή. Τα μόρια όμως του υδρογόνου μπορούν να απορροφηθούν μέσα στους νανοσωλήνες και να συμπυκνωθούν σε μεγάλο βαθμό. Ο Dr Zikang Tang του τμήματος φυσικής του πανεπιστημίου του Hong Kong είπε ότι η διάμετρος των σωλήνων είναι ίδια με τη διάμετρο του ατόμου του υδρογόνου. Έτσι το υδρογόνο θα μπορεί να απορροφάται στο εσωτερικό του νανοσωλήνα σε πολύ υψηλές πυκνότητες. Οι ερευνητές ανακοίνωσαν πως η διάμετρος τους είναι μικρότερη από το νήμα του DNA, φέρνοντας έτσι την τεχνολογία κατασκευής τους στα θεωρητικά της όρια. Της NEC οι νανοσωλήνες ήταν οι μικρότερες, ενώ οι επιστήμονες του Hong Kong ακολούθησαν διαφορετικό δρόμο. Συγκεκριμένα χρησιμοποίησαν τα αυλάκια στην επιφάνεια του ζεόλιθου σαν καλούπι μέσα στο οποίο δημιουργήθηκαν οι νανοσωλήνες, που έχουν περίπου τη διάμετρο ενός ατόμου υδρογόνου. Σύμφωνα με τους ερευνητές, οι διαστάσεις αυτές δεν είναι δυνατόν να ξεπεραστούν, καθώς η μείωσή τους θα προκαλούσε αύξηση της ενέργειας του συστήματος και θα το καθιστούσε ιδιαίτερα ασταθές.

23 Κεφάλαιο 4 - Απο&ήκευση Και Μεταφορά Υδρογόνου Οι εν λόγω δομές σχηματίζονται όταν εφαρμόζεται υψηλή τάση σε ράβδους από γραφίτη που έχουν τοποθετηθεί σε ένα θάλαμο που περιέχει ήλιο ή υδρογόνο. Το πλάσμα (ιονισμένο αέριο υψηλής θερμοκρασίας) που δημιουργείται οδηγεί στο σχηματισμό νέων δεσμών ανάμεσα στα άτομα του I άνθρακα. Τα νάνο-υλικά αυτά, πρόκειται να αποτελέσουν τα πλέον επαναστατικά υλικά του 21ο αιώνα. Οι σωλήνες από άνθρακα είναι μακρείς λετποί κύλινδροι από άνθρακα που σχηματίζονται τυλίγοντας μονό-ατομική στρώση γραφίτη σε ένα κύλινδρο. Είναι εξαιρετικώς μικρά σε μέγεθος και μια δέσμη από νανοσωλήνες άνθρακα είναι σαν μια τρίχα. Η ανακάλυψη τους το 1991, πυροδότησε μεγάλες και ταχύτατες έρευνες σε όλο τον κόσμο για πρακτικές εφαρμογές. Αυτοί οι νανοσωλήνες δεν υπάρχουν στη φύση και σχηματίζονται κάτω από ειδικές συνθήκες. Ενώ με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής είναι συνήθως μεγάλοι σε μέγεθος, με τις νέες πρωτοποριακές τεχνικές οι επιστήμονες έφτασαν στο θεωρητικό όριο του μεγέθους ενός ατόμου. Στον πίνακα 4.2 που ακολουθεί γίνεται μία σύγκριση των μεθόδων αποθήκευσης υδρογόνου με μέτρο σύγκρισης το βάρος ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2 Σύγκριση μεθόδων αποθήκευσης υδρογόνου Μέθοδος αποθήκευσης Περιεκτικότητα Η2 κατά βάρος Δοχείο πιεσμένου αερίου 7,5 % Υδρίδιο κραμάτων μετάλλων 1-5% Προσρόφηση σε ίνες άνθρακα 1-20 % Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που υπάρχουν σήμερα ως προς το υδρογόνο, πέρα από το κόστος παραγωγής του, είναι η έλλειψη υποδομής για την εύκολη παροχή του καυσίμου στους καταναλωτές. Βραχυπρόθεσμα, χρήση του υδρογόνου μπορεί να γίνει στη βιομηχανία και τον οικιακό τομέα προκειμένου να γίνεται αποθήκευση ενέργειας. Μεσοπρόθεσμα οι εφαρμογές μπορούν να επεκταθούν στις μεταφορές. Προκειμένου όμως να επιτευχθεί αυτό, θα πρέπει να υπάρχει εύκολος, ασφαλής και οικονομικός τρόπος πρόσβασης των καταναλωτών στο καύσιμο. Η μετάβαση, από ένα επί σειρά ετών σύστημα ενέργειας που βασίζεται κυρίως στο πετρέλαιο και τα παράγωγά του, σε ένα που θα γίνεται χρήση υδρογόνου, απαιτεί χρόνο και γενναία, δαπανηρά βήματα από κυβερνήσεις, παραγωγούς και καταναλωτές ενέργειας.

24 Κεφάλαιο 4 - Αποθήκευση Και Μεταφορά Υδρογόνου Οι πιθανές λύσεις για τη διανομή καυσίμου υδρογόνου είναι οι παρακάτω: Διανομή σε τόπους ανεφοδιασμού με χρήση βυτιοφόρων από κεντρική μονάδα παραγωγής Διανομή σε τόπους ανεφοδιασμού με δίκτυο αγωγών από κεντρική μονάδα παραγωγής Διανομή φυσικού αερίου με δίκτυο αγωγών στους τόπους ανεφοδιασμού όπου θα γίνεται τοπικά η αναμόρφωση σε υδρογόνο Τοπική παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση χρησιμοποιώντας είτε το ηλεκτρικό δίκτυο είτε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η επιλογή κάποιας από τις παραπάνω μεθόδους εξαρτάται από το είδος εφαρμογής. Το κυριότερο όμως πρόβλημα προκύπτει στη χρήση του υδρογόνου στις μεταφορές, όπου για να είναι εφικτή η διάδοση των οχημάτων που κινούνται με το νέο καύσιμο θα πρέπει να εγκατασταθούν στους δρόμους σταθμοί ανεφοδιασμού. Επίσης, η μετάγγιση του υδρογόνου θα πρέπει να γίνεται απουσία αέρα, με χρήση ειδικής βαλβίδας προκειμένου να αποφευχθούν ατυχήματα λόγω της μεγάλης τπητικότητας. Ήδη σε κάποια μέρη του κόσμου, όπως για παράδειγμα στη Γερμανία και στις ΗΠΑ υπάρχουν κάποιοι δοκιμαστικοί σταθμοί ανεφοδιασμού οχημάτων που κινούνται με υδρογόνο.

25 Κεφάλαιο 5 - Κυψέλες Καυσίμου 5. ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ (ΚΥΨΕΛΕΣ) ΚΑΥΣΙΜΟΥ Οι κυψελίδες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνοντας υδρογόνο σαν καύσιμο το οποίο οξειδώνπαι ηλεκτροχημικά με οξυγόνο, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και νερού. Η κυψελίδα καυσίμου λειτουργεί σαν ένας χημικός αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας, ο οποίος παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο τροφοδοτείται με Η2 και 0 2. Οι κυψελίδες καυσίμου δεν ανήκουν στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αλλά είναι μια μέθοδος μετατροπής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη με τη μορφή καυσίμου (υδρογόνο, μεθάνιο, φυσικό αέριο κ.ά.) σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Αυτό γίνεται με υψηλή απόδοση (40-80% σνάλογα με τον τύπο της κυψελίδας) και με μοναδική εκπομπή το καθαρό νερό (όταν το καύσιμο είναι αποκλειστικά υδρογόνο). Στην περίτπωση που το καύσιμο περιέχει άνθρακα, εκπέμπονται και αέρια βλαβερά για το περιβάλλον (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα) αλλά σε πολύ μικρότερη ποσότητα από ότι με έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχης ισχύος, Κυψελίδες καυσίμου τύπου ΡΕΜ, για σταθερές εφαρμογές ή εφαρμογές στις μεταφορές.

26 Κεφάλαιο 5 - Κυψέλες Καυσίμου 5.1 Αρχή Λειτουργίας Το 1839 ένας Βρετανός φυσικός, ο Sir William R, Grove, έδειξε ότι η ηλεκτροχημική ένωση του υδρογόνου με το οξυγόνο παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό επιτυγχάνεται σε μια ουσιαστικά απλή συσκευή, την κυψελίδα καυσίμου, αθόρυβα, καθαρά, χωρίς καύση ή κινητά μέρη, με μια διαδικασία που είναι αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης του νερού. Οι κυψελίδες καυσίμου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια (την άνοδο και την κάθοδο) που διαχωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα ειδικευμένο πολυμερές ή άλλο υλικό, που επιτρέπει την διέλευση ιόντων αλλά δεν είναι περατό από ηλεκτρόνια. Το καύσιμο που περιέχει υδρογόνο, εισάγεται στην άνοδο, όπου τα ηλεκτρόνια του υδρογόνου απελευθερώνονται και κινούνται σε ένα εξωτερικό κύκλωμα παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου διαπερνούν τον ηλεκτρολύτη και φτάνουν στην κάθοδο, όπου ενώνονται με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο, δημιουργώντας νερό, που αποτελεί το προϊόν της αντίδρασης. Προκειμένου να επιταχυνθεί η διαδικασία του ιονισμού του υδρογόνου χρησιμοποιείται καταλύτης υψηλής αγωγιμότητας στα ηλεκτρόδια, τα οποία είναι συνήθως από πλατίνα. Με χρήση καθαρού υδρογόνου ως καυσίμου, τα μόνα παράγωγα της διαδικασίας αυτής είναι ηλεκτρικό ρεύμα, καθαρό νερό και θερμότητα. Το συνολικό πάχος μιας κυψελίδας καυσίμου είναι περίπου 2.5 mm ενώ ο ηλεκτρολύτης έχει πάχος της τάξεως μερικών pm. Η ενέργεια που παράγεται από μια κυψέλη καυσίμου εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως ο τύπος της κυψέλης καυσίμου, το μέγεθός της, η θερμοκρασία λειτουργίας και η πίεση στην οποία τα αέρια παρέχονται στην κυψέλη. Μέχρι στιγμής, μια κυψέλη καυσίμου παράγει ηλεκτρική ενέργεια μόνο για πολύ μικρές εφαρμογές. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή ισχύς, οι κυψελίδες καυσίμου μπορούν να στιβαχθούν η μια δίπλα στην άλλη, με την παρεμβολή πορώδους υλικού, που τις συνδέει ηλεκτρικά σε σειρά ενώ επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση στα ηλεκτρόδια από το υδρογόνο και το οξυγόνο. Μια χαρακτηριστική συνδεσμολογία κυψελών καυσίμου μπορεί να αποτελείται από εκατοντάδες κυψέλες καυσίμου.

27 Κ (ροιλαιο 5 - Kxyiuz/ C Καυσίμου πρακτική γεννήτρια δεν άρχισε παρά μόνο τη δεκαεπ'α του '60, όταν επέλεξε το διαστημικό πρόγραμμα των ΗΠΑ τις κυψέλες καυσίμου κι όχι την επικίνδυνη πυρηνική ενέργεια και την ακριβότερη ηλιακή ενέργεια. Τα κυψέλες καυσίμου εφοδίασαν ενέργεια το διαστημικό σκάφος Gemini και Apollo, και παρέχουν ακόμα ηλεκτρική ενέργεια και νερό για το Διαστημικό Λεωφορείο. Σχήμα : Αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου Το επιθυμητό καύσιμο για τις κυψελίδες καυσίμου είναι πάντοτε το καθαρό υδρογόνο, το οποίο μπορεί να παραχθεί και από κάποιο καύσιμο που είναι φορέας υδρογόνου, αφού υποστεί κατάλληλη επεξεργασία (αναμόρφωση) για την εξαγωγή του. Τέτοιοι φορείς είναι η αμμωνία, το φυσικό αέριο, παράγωγα του πετρελαίου, το υγρό προπάνιο και η βιομάζα. 5.2 Τύποι Κυψελών Καυσίμου Οι κυψέλες καυσίμου ταξινομούνται πρωτίστως από το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν. Αυτός καθορίζει το είδος της χημικής αντίδρασης που πραγματοποιείται στη κυψέλη, τον τύπο των καταλυτών που απαιτούνται, την περιοχή της θερμοκρασίας στην οποία λειτουργεί η κυψέλη, τα καύσιμα που απαιτούνται, και άλλους παράγοντες. Από αυτά τα χαρακτηριστικά, στη συνέχεια, γίνεται η επιλογή της κυψέλης ανάλογα με το που θα χρησιμοποιηθεί ώστε να είναι η κατάλληλη. Υπάρχουν διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου αυτήν την περίοδο υπό ανάτττυξη, κάθε ένας με τα πλεονεκτήματα, τους περιορισμούς, και τις πιθανές εφαρμογές του. Μερικοί από τους πιο ελπιδοφόρους τύπους είναι οι εξής : Κυψέλες Καυσίμου με Μεμβράνη Πολυμερών Ηλεκτρολυτών Κυψέλες Καυσίμου Φωσφορικού Οξέος Κυψέλες Καυσίμου Αλκαλικών Στοιχείων Κυψέλες Καυσίμου με Τετηγμένα Ανθρακικά Άλατα Κυψέλες Καυσίμου Στερεών Οξειδίων

28 Κεφάλαιο 5 - Κυψέί,ες Καυσίμου Κυψέλες Καυσίμου με Μεμβράνη Πολυμερών Ηλεκτρολυτών Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη πολυμερών ηλεκτρολυτών (Polymer Electrolyte Membrane -ΡΕΜ- Fuel Cell) -ή αλλιώς κυψέλες καυσίμων ανταλλαγής πρωτονίων- χρησιμοποιούν μια μεμβράνη από Nation (σουλφονωμένο πολυτετραφθοροαιθυλένιο) ως ηλεκτρολύτη. Οι μεμβράνες αυτές, έχουν πάχος 50 pm και έτσι επιτυγχάνεται σημαντική ελάττωση του μεγέθους. Έτσι μειώνονται οι ωμικές απώλειες και επομένως μπορούν να παραχθούν πολύ υψηλές πυκνότητες ρεύματος. Από τις δυο πλευρές της μεμβράνης τοποθετούνται ηλεκτρόδια άνθρακας που περιέχουν λευκόχρυσο. Για την λειτουργία αυτών των κυψελών χρειάζεται μόνο υδρογόνο, οξυγόνο (από τον αέρα) και νερό και δεν απαιτείται η παρουσία κάποιου διαβρωτικού υγρού όπως άλλες κυψέλες Κ Υ Ψ Ε Λ Η Κ Λ ΥΣΙΜ Ο Υ ΡΕΜ Τ Α Σ Η Π ε Ρ ί Σ Σ Ε Ι Α ^ - ^ Γ ο Γ ψ Ξ Ο Δ Ο Σ Κ Α Υ Σ Ι Μ Ο ^ t ~ Η + Η + t " Η2 Ο < ί \ Y A P A T U O N λ ε ε α καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη πολυμερών ηλεκτρολυτών λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στους 80 C (176 F). Η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας έχει δυο βασικά πλεονεκτήματα. Την γρήγορη εκκίνηση λειτουργίας της κυψέλης, αφού ο χρόνος προθέρμανσης είναι μικρός, και την μικρή καταπόνηση των μερών της με συνέπεια η κυψέλη να έχει μεγάλη διάρκεια ζωής. Τα μειονεκτήματα είναι ότι υπάρχει πρόβλημα στην απομάκρυνση του παραγόμενου νερού και το κόστος της μεμβράνης και του καταλύτη είναι υψηλό. Γίνονται συνεχώς έρευνες για να βρεθούν άλλες μεμβράνες κατάλληλες με χαμηλότερο κόστος. Λόγω του περιορισμένου μεγέθους τους τα στοιχεία αυτά θεωρούνται καταλληλότερα για να χρησιμοποιούνται σε οχήματα και ήδη ορισμένες μεγάλες εταιρείες όπως η Ballard και Daimler Benz έχουν κατασκευάσει πρότυπα αυτοκίνητα και λεωφορεία που κινούνται με τέτοιες κυψέλες καυσίμου, και προγραμματίζουν τη μαζική παραγωγή τους σε λίγα χρόνια. Η χρήση του λευκόχρυσου σε αυτές τις κυψέλες όμως, εκτός του ότι αυξάνει την τιμή τους, θα είναι περιορισμός για την μαζική παραγωγή τέτοιων οχημάτων, διότι τα αποθέματα λευκόχρυσου στη γη είναι μικρά. Πρόσφατα όμως η αμερικανική εταιρεία Zak Tek Power Ltd. σε συνεργασία με Γάλλους επιστήμονες εφεύραν ένα καταλύτη με βάση το κοβάλτιο. Το κοβάλτιο είναι πολύ πιο φθηνό από το λευκόχρυσο και βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία στη φύση. Έτσι αναμένεται ότι το κόστος του καταλύτη θα κατέβει στο μισό.

29 Κεφάλαιο 5 - Κυψέλες Καυσίμου Κυψέλες Καυσίμου Φωσφορικού Οξέος Οι κυψέλες καυσίμων φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid Fuel Cell PAFC) χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη το υγρό φωσφορικό οξύ το οποίο (φωσφ. Οξύ) είναι προσροφημένο σε ένα λετπό στρώμα καρβιδίου του πυριτίου. Τα ηλεκτρόδια άνθρακα της κυψέλης είναι πορώδη και περιέχουν καταλύτη λευκόχρυσου. Οι κυψέλες καυσίμων φωσφορικού οξέος (PAFC) θεωρούνται ως η "πρώτη γενεά" των σύγχρονων κυψελών καυσίμων. Είναι ένας από τους ωριμότερους τύπους κυψελών καυσίμου και οι πρώτες που χρησιμοποιούνται εμπορικά, με πάνω από 200 μονάδες αυτήν την περίοδο σε χρήση. Αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμων χρησιμοποιείται χαρακτηριστικά για την ηλεκτρική παραγωγή πόλεων και βιομηχανιών αλλά μερικά PAFC έχουν χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσουν και μεγάλα οχήματα όπως αστικά λεωφορεία. Οι PAFC είναι πιο ανεκτικές στα ακάθαρτα προϊόντα που παράγονται κατά την αναμόρφωση των υδρογονανθράκων, από τα κύτταρα ΡΕΜ, τα οποία εύκολα "δηλητηριάζονται" από το μονοξείδιο του άνθρακα -το μονοξείδιο του άνθρακα δεσμεύεται στον καταλύτη λευκόχρυσου στη άνοδο, μειώνοντας την αποδοτικότητα της κυψέλης. Έχουν απόδοση 85% όταν χρησιμοποιούνται για συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας και λιγότερο αποδοτικοί όταν παράγεται μόνο ηλεκτρική ενέργεια (37-42%). Έτσι είναι ελαφρώς αποδοτικότερες από τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας οι οποίες βασίζονται σε καύση πρώτων υλών και οι οποίες λειτουργούν με αποδόσεις της τάξης του 33 έως 35%. Οι PAFC είναι επίσης λιγότερο δραστικές από άλλες κυψέλες καυσίμων του ίδιου βάρους όγκου. Αυτές οι κυψέλες καυσίμων κατά συνέπεια είναι χαρακτηριστικά μεγάλες και βαριές καθώς και αρκετά ακριβές. Η θερμοκρασία λειτουργίας αυτών των κυψελών κυμαίνεται μεταξύ 150 και 220 C και η διάρκεια ζωής τους φθάνει τις ώρες. Τέλος χρησιμοποιούνται σε συστοιχίες διπολικού τύπου και μπορούν να δώσουν ισχύ από μερικά KW εώς και MV.

30 Κεφάλαιο 5 - Κυψέλες Καυσίμου Κυψέλες Καυσίμου Αλκαλικών Στοιχείων Οι κυψέλες καυσίμου Αλκαλικών Στοιχείων (Alkaline Fuel Cell AFC) χρησιμοποιούν υδροξείδιο του καλίου (KOFI) ως ηλεκτρολύτη (30-45% διάλυμα σε νερό) για υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας ( C) ενώ λειτουργούν εξίσου καλό και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (23-70 C) αλλά με περιεκτικότητα KOFI σε νερό περίπου 85% και δίνουν την υψηλότερη τάση σε σύγκριση με τα άλλα συστήματα κυψελών καυσίμου. Το οξυγόνο που χρησιμοποιείται ως οξειδωτικό δεν πρέπει να περιέχει καθόλου διοξείδιο του άνθρακα, διότι τότε σχηματίζονται ανθρακικά άλατα που φράζουν τους πόρους. Ως κάθοδος χρησιμοποιείται λιθιωμένο πορώδες νικέλιο, και ως άνοδος πορώδες νικέλιο με απόθεση λευκόχρυσου, που είναι καλός καταλύτης για την οξείδωση του υδρογόνου. Οι AFC είναι κυψέλες καυσίμου υψηλής απόδοσης λόγο της μεγάλης ταχύτητας που πραγματοποιούνται η χημικές αντιδράσεις στην κυψέλη. Οι κυψέλες καυσίμου Αλκαλικών Στοιχείων ήταν μια από τις πρώτες τεχνολογίες κυψελών καυσίμων που αναπτύχθηκαν και ήταν ο πρώτος τύπος που χρησιμοποίησε ευρέως η NASA για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια και νερό στα διαστημικά της σκάφη με ποσοστό απόδοσης ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στο 60%. Συστοιχίες AFC μπορούν να διατηρήσουν αρκετά σταθερή λειτουργία για περισσότερο από ώρες αλλά για να είναι οικονομικά βιώσιμες στις μεγάλης κλίμακας εφαρμογές θα πρέπει να φθάσουν χρόνους λειτουργίας που υπερβαίνουν τις ώρες. Αυτό πιθανώς είναι και το σημαντικότερο εμπόδιο στην εμπορευματοποίηση αυτής της τεχνολογίας κυψελών καυσίμων.