Εισαγωγή Το ενεργειακό πρόβληµα και οι πιθανές λύσεις του Εικόνα 1

Transcript

1 Εισαγωγή Το ενεργειακό πρόβληµα και οι πιθανές λύσεις του Η ύπαρξη των ενεργειακών πόρων στην επικράτεια κάθε χώρας αυξάνει την οικονοµική και τη στρατηγική της ισχύ σε σχέση µε τις υπόλοιπες ενώ αντίθετα η έλλειψη τους προκαλεί µόνο προβλήµατα, φτώχεια και δυσφορία. εν είναι επίσης τυχαίο το γεγονός πως όλοι οι πόλεµοι, οι εµφύλιες διαµάχες, καθώς και κάθε άλλης µορφής ένοπλη δράση επικεντρώνεται στις περιοχές που διαθέτουν ενεργειακά αποθέµατα τα οποία δεν είναι άλλα από τα ορυκτά καύσιµα. Συνυπολογίζοντας στα παραπάνω το γεγονός πως οι ενεργειακές απαιτήσεις του σύγχρονου κόσµου, αυξάνονται µε αλµατώδεις ρυθµούς της τάξης του 80% ανά δεκαετία, µπορούµε να αντιληφθούµε πως η ενέργεια παίζει σηµαντικότατο ρόλο στις σύγχρονες κοινωνίες. Χιλιάδες ερευνητές ανά την υφήλιο αναζητούν τη µέθοδο, µε τη βοήθεια της οποίας θα καταφέρουν να χρησιµοποιήσουν µια νέα µορφή ενέργειας ή να αυξήσουν το βαθµό απόδοσης των υπαρχουσών µηχανών. Όσο όµως και να αυξηθεί ο βαθµός απόδοσης των µηχανών που χρησιµοποιούν µη ανανεώσιµες πηγές ενέργειας πάντα θα µειώνεται το διαθέσιµο ενεργειακό απόθεµα. Εικόνα 1 1

2 Εικόνα 2 Εικόνα 3 Στο σηµείο αυτό όµως θεωρείται σκόπιµη η σύντοµη αναφορά στα ενεργειακά αποθέµατα σε συµβατικά καύσιµα. Με τον όρο συµβατικά καύσιµα ή µη ανανεώσιµες πηγές ενέργειας εννοούνται όλες οι µορφές των γαιανθράκων (ανθρακίτης, λιγνίτης, τύρφη κ.λ.π), το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο καθώς και τα διάφορα σχάσιµα υλικά. Τα συµβατικά καύσιµα λέγονται και µη ανανεώσιµα γιατί η χρονική περίοδος επαναδηµιουργίας τους υπερβαίνει το ένα εκατοµµύριο έτη, ενώ απαιτούνται ειδικές συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας για τη δηµιουργία τους. Τα ορυκτά καύσιµα δηλαδή αποτελούν την ενεργειακή κληρονοµιά του πλανήτη και όχι µια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. υστυχώς, µε τους σηµερινούς ρυθµούς εκµετάλλευσης των καυσίµων αυτών, σύντοµα τα ορυκτά καύσιµα θα αποτελούν παρελθόν. Παρατηρώντας για παράδειγµα την κατανάλωση του πετρελαίου από το 1880, η αύξηση στην κατανάλωση του εν λόγο προϊόντος συνεχής, µε ρυθµό 2

3 αύξησης τη κατανάλωσης της τάξης του 2,1% την περίοδο , 2,5% για την περίοδο και 4% για την περίοδο [1]. Επιπλέον τα αποθέµατα ορυκτών καυσίµων δεν είναι διασκορπισµένα σε ολόκληρο τον πλανήτη, αλλά εντοπίζονται σε ορισµένες περιοχές του, µε αποτέλεσµα την δηµιουργία έντονων πολιτικο-οικονοµικών αντιπαραθέσεων µεταξύ των διαφόρων κρατών. Σύµφωνα επίσης µε τα επίσηµα στοιχεία του Ο.Π.Ε.Κ (Οργανισµός Πετρέλαιο-Εξαγωγικών Κρατών), τα κυριότερα βεβαιωµένα αποθέµατα ενέργειας βρίσκονται στις χώρες της Μέσης Ανατολής, ενώ οι χώρες του Ο.Π.Ε.Κ ελέγχουν το 70% του διακινούµενου πετρελαίου. Επίσης σύµφωνα µε απόλυτα επιβεβαιωµένα στοιχεία, ο όγκος των εξακριβωµένων αποθεµάτων πετρελαίου περιορίζεται σε τόνους ισοδύναµου πετρελαίου [Σηµ.1] (Τ.Ι.Π) ενώ τα αποθέµατα φυσικού αερίου είναι µόλις Τ.Ι.Π. Έτσι λοιπόν µε δεδοµένη τη συνεχή αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων της ανθρωπότητας υπολογίζεται ότι τα αποθέµατα πετρελαίου και φυσικού αερίου επαρκούν για µόλις χρόνια [1]. Παράλληλα τα βεβαιωµένα αποθέµατα άνθρακα εκτιµώνται σε τόνους και εάν ληφθεί υπ όψη οτι το ενεργειακό ισόποσο ενός τόνου άνθρακα είναι ίσο µε το 70% ενός τόνου πετρελαίου τότε έχουµε περίπου Τ.Ι.Π. Τα αποθέµατα άνθρακα εντοπίζονται σε δυο κυρίως περιοχές, τις χώρες της πρώην Σοβιετικής Ένωσης καθώς και στην επικράτεια της Κίνας. Στις περιοχές αυτές συγκεντρώνεται συνολικά το 88% των παγκόσµιων αποθεµάτων. Τα αποθέµατα άνθρακα επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των αποθεµάτων των ορυκτών καύσιµων στα χρόνια, ωστόσο το νούµερο αυτό είναι σε µεγάλο βαθµό παραπλανητικό. Οι σύγχρονες µηχανές δεν καίνε στερεά καύσιµα λόγω του πολύ χαµηλού βαθµού απόδοσης των και της πολύ ρυπογόνας λειτουργίας των µηχανών στερεών καυσίµων. Εποµένως τα αποθέµατα του άνθρακα θα χρησιµοποιηθούν κυρίως για τη δηµιουργία συνθετικής βενζίνης και όχι για την απ ευθείας καύση τους σε κινητήρες στερεών καυσίµων. Η διαδικασία όµως της παραγωγής βενζίνης είναι και αυτή ενεργοβόρα µειώνοντας τελικά το χρόνο ζωής των αποθεµάτων άνθρακα στα 100 περίπου χρόνια. 3

4 Εικόνα 4 Τέλος, η πυρηνική ενέργεια σήµερα παράγεται κατά κύριο λόγο από τη σχάση ουρανίου 235 (U 235), ενώ η σύντηξη υδρογόνου δεν έχει αποδειχθεί µέχρι σήµερα εµπορικά εκµεταλλεύσιµη. Οι διαθέσιµοι πυρηνικοί αντιδραστήρες χωρίζονται σε κοινούς πυρηνικούς αντιδραστήρες που λειτουργούν µε εµπλουτισµένο ουράνιο και σε αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων ή αναπαραγωγικούς οι οποίοι λειτουργούν µε ουράνιο 238, πλουτώνιο 239 και θόριο 232. Τα βεβαιωµένα αποθέµατα ουρανίου 235 υπολογίζονται περίπου σε τόνους, ενώ µε οικονοµικά αποδεκτές υψηλότερες τιµές κόστους παραγωγής του ουρανίου µπορούν να προσεγγίσουν τα τόνους [1]. Τα αποθέµατα αυτά επαρκούν για χρόνια και για πολλούς αποτελούν µια συµφέρουσα µεσοπρόθεσµη λύση στο πρόβληµα. Ωστόσο η πυρηνική ενέργεια µάλλον δηµιουργεί περισσότερο προβλήµατα από όσα λύνει, αφού πάντα υπάρχει ο κίνδυνος κάποιου τραγικού ατυχήµατος σε κάποιο πυρηνικό αντιδραστήρα, µε φοβερές συνέπειες για εκατοµµύρια ανθρώπους. Επιπλέον τα κατάλοιπα της πυρηνικής σχάσης είναι ιδιαίτερα τοξικά και πολύ ραδιενεργά. Οι µηχανισµοί δε της διαχείρισης των αποβλήτων αυτών είναι ακόµα σε πρωτόγονο στάδιο και δεν εξασφαλίζουν της ασφαλή αποθήκευση ή διαχείριση τους. Συνοψίζοντας, µπορούµε να πούµε πως η εύρεση βιώσιµων τεχνολογιών παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιµες µορφές ενέργειας 4

5 θεωρείται επιβεβληµένη τόσο για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των επερχόµενων γενεών όσο και για την αποκατάσταση της πολιτικο-οικονοµικής ισορροπίας µε τις πετρελαιοπαραγωγές περιοχές. Η αγορά της ενέργειας στην Ελλάδα Η ενεργειακή εικόνα της Ελλάδας είναι σε γενικές γραµµές αντίστοιχη µε των άλλων ευρωπαϊκών χωρών, που δεν διαθέτουν δική τους παραγωγή πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Τα επιβεβαιωµένα κοιτάσµατα λιγνίτη υπάρχουν κυρίως στη Μακεδονία και τη Μεγαλόπολη και υπολογίζονται σε 5-6 δισεκατοµµύρια τόνους ενώ το µικρό πετρελαϊκό κοίτασµα του Πρίνου στην Θάσο καλύπτει µόνο ένα µικρό ποσοστό των ενεργειακών αναγκών της χώρας [1]. Πιο συγκεκριµένα, τα βεβαιωµένα αποθέµατα λιγνίτη δεν είναι στο σύνολο τους τεχνικοοικονοµικά εκµεταλλεύσιµα και τα υπαίθρια πλήρως εκµεταλλεύσιµα αποθέµατα εκτιµώνται σε 3.3 δισεκατοµµύρια τόνους όπου µε τη βελτίωση της τεχνολογίας εξόρυξης και επεξεργασίας µπορούν να φτάσουν στους 4.5 δις. τόνους [1]. Αντίστοιχα το µεγαλύτερο µέρος των κοιτασµάτων αργού πετρελαίου στον Πρίνο, καθώς και το ανάλογο κοίτασµα φυσικού αερίου θεωρείται ότι έχει αντληθεί ενώ τα υπολείµµατα του κοιτάσµατος µε δυσκολία επαρκούν έως τα µέσα της επόµενης δεκαετίας. Τέλος τα επαρκώς επιβεβαιωµένα αποθέµατα ουρανίου, που έχουν εντοπιστεί στο Παρανέστι της ράµας ανέρχονται σε 400 τόνους, ενώ συγκεντρώσεις ουρανίου έχουν εντοπιστεί σε λιγνίτες, ανθρακοµιγείς αργίλους και φωσφορικά κοιτάσµατα. Τα αποθέµατα αυτής της κατηγορίας σήµερα δεν θεωρούνται οικονοµικά εκµεταλλεύσιµα είναι όµως δυνατόν να καταστούν στο µέλλον. Εύκολα λοιπόν συµπεραίνουµε ότι η Ελλάδα δεν είναι ιδιαίτερα ευνοηµένη σε αποθέµατα ορυκτών καυσίµων. 5

6 Εικόνα 5 Ωστόσο λόγω της γεωµορφολογίας της καθώς και της γεωγραφικής της θέσης είναι ιδιαίτερα ευνοηµένη σε ότι αφορά την εκµετάλλευση των διαφόρων ανανεώσιµων πηγών ενέργειας. Παρουσιάζει λοιπόν ιδιαίτερα αυξηµένο ηλιακό δυναµικό, αφού λόγω της γεωγραφική της θέση έχει µεγάλα διαστήµατα ηλιοφάνειας σχεδόν ολόκληρο το χρόνο. Επίσης το αιολικό δυναµικό της χώρας είναι ιδιαίτερα αξιόλογο αφού η ύπαρξη ορεινών όγκων σε παραθαλάσσιες περιοχές δηµιουργεί έντονα ρεύµατα αέρα. Επιπλέον οι ορεινή διαµόρφωση της ηπειρωτικής χώρας δηµιουργεί προϋποθέσεις για την εκµετάλλευση του υδάτινου δυναµικού µε τη δηµιουργία υδροηλεκτρικών σταθµών µεγάλης ή µικρής κλίµακας. Το περιβαλλοντικό πρόβληµα Τα τελευταία χρόνια ακούγεται συνεχώς στα ΜΜΕ καθώς και από τους ερευνητικούς φορείς το φαινόµενο του θερµοκηπίου και οι αρνητικές επιπτώσεις του φαινοµένου αυτού στη κλιµατολογική σταθερότητα του πλανήτη. Αξίζει να σταθούµε λίγο στον όρο φαινόµενο του θερµοκηπίου και να τον αναλύσουµε εν συντοµία. Το φαινόµενο του θερµοκηπίου προϋπήρχε του ανθρώπου και στη φυσιολογική του µορφή προέρχεται από διάφορα αέρια τα οποία σχηµατίζουν ένα παχύ στρώµα στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας. Τα αέρια αυτά είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), οι υδρατµοί (H 2 O), το µονοξείδιο του αζώτου (Ν 2 Ο), το µεθάνιο (CH 4 ) και το όζον (Ο 3 ). Το στρώµα αυτό των παραπάνω αερίων είναι απολύτως απαραίτητο για τη διατήρηση της ζωής στον πλανήτη αφού επιτρέπει τη διατήρηση της θερµοκρασίας του πλανήτη 6

7 σε λογικά και σταθερά επίπεδα. Η λειτουργία του έχει ως εξής: Θεωρώντας δεδοµένο πως ο ήλιος εκπέµπει ορατές και µη ακτινοβολίες, ένας τεράστιος όγκος αυτών των ακτινοβολιών πλησιάζει στην Γη. Τα διάφορα στρώµατα αερίων που υπάρχουν στην ατµόσφαιρα, φιλτράρουν τις ακτινοβολίες αυτές προστατεύοντας την επιφάνεια του πλανήτη από τον κύριο όγκο των βλαβερών ακτινοβολιών. Έτσι π.χ. το όζον απορροφά µεγάλο µέρος από την επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία προστατεύοντας την πανίδα του πλανήτη. Τελικά λοιπόν ένα ορισµένο εύρος ακτινοβολιών διαπερνά αυτά τα αέρια στρώµατα και προσκρούει στην επιφάνεια της γης όπου και απορροφάται κατά ένα ορισµένο ποσοστό από αυτή, ανάλογα µε το υλικό στο οποίο προσκρούει. Μέσα στο εύρος αυτό των ακτινοβολιών περιλαµβάνονται και οι υπέρυθρες ακτινοβολίες. Το τµήµα εκείνο του φάσµατος δηλαδή που βρίσκεται εκτός του ορατού και εντοπίζεται µετά το ερυθρό χρώµα. Η ακτινοβολία αυτού του τύπου χαρακτηρίζει την εκποµπή θερµότητας από τα διάφορα σώµατα. Η υπέρυθρη ακτινοβολία συµβάλει σε µεγάλο βαθµό στη διατήρηση της θερµοκρασίας του πλανήτη σε ανεκτά όρια. Ωστόσο η θέρµανση του πλανήτη µας από την εισερχόµενη υπέρυθρη ακτινοβολία επιτυγχάνεται κατά κύριο λόγο µε τη βοήθεια του στρώµατος αερίων που αναφέραµε στην αρχή. 7

8 Εικόνα 6: Το φαινόµενο του θερµοκηπίου Καθώς λοιπόν εισέρχεται η υπέρυθρη ακτινοβολία στη γήινη ατµόσφαιρα, επιτυγχάνεται µια µικρή θέρµανση της επιφάνειας του πλανήτη ανάλογη µε το ποσοστό απορρόφησης της ακτινοβολίας από το έδαφος. Το µεγάλο µέρος όµως και της υπέρυθρης ακτινοβολίας ανακλάται ξανά προς το διάστηµα (ορισµένα υλικά όπως το νερό αλλά και ο πάγος αντανακλούν σχεδόν όλη την ακτινοβολία). Ωστόσο προτού εξέλθει από την ατµόσφαιρα προσπίπτει στο στρώµα των αερίων του θερµοκηπίου όπου αντανακλάται πάλι και κατευθύνεται ξανά προς τη γη. Με τον τρόπο αυτό διατηρείται ο πλανήτης σε µια θερµοκρασία ικανή να διατηρήσει τη ζωή. Από την αρχή της βιοµηχανικής επανάστασης το 1765, η καύση ορυκτών καυσίµων σε συνδυασµό µε τις συνεχώς αυξανόµενες ενεργειακές απαιτήσεις δηµιούργησαν µεγάλους όγκους αερίων του θερµοκηπίου τα οποία άρχισαν να προστίθενται στα υπάρχοντα στρώµατα. Αξίζει δε να σηµειωθεί πως όλες οι µηχανές που πραγµατοποιούν καύση ορυκτών καυσίµων, παράγουν τεράστιους όγκους αέριων και στερεών ρύπων, οι βασικότεροι των οποίων είναι το διοξείδιο του άνθρακα και το µονοξείδιο του 8

9 αζώτου. Έτσι λοιπόν η περιεκτικότητα της ατµόσφαιρας σε διοξείδιο του άνθρακα και µονοξείδιο του αζώτου έχουν αυξηθεί κατά 80% και 15% αντίστοιχα τα τελευταία 100 χρόνια. Το αποτέλεσµα αυτής της θεαµατικής αύξησης των ρύπων είναι η αύξηση του πάχους του στρώµατος των αερίων του θερµοκηπίου, µε αποτέλεσµα τον εγκλωβισµό τεραστίων ποσοτήτων ακτινοβολίας στα χαµηλά στρώµατα της ατµόσφαιρας κοντά στην επιφάνεια της γης (τροπόσφαιρα). Οι µετρήσεις των ερευνητών παρουσιάζουν µια αύξηση της µέσης θερµοκρασίας του πλανήτη κατά 1 βαθµό Κελσίου από τα µέσα του 19 ου αιώνα οπότε άρχισαν οι µετρήσεις. Για να γίνει αντιληπτό το µέγεθος της θερµοκρασιακής µεταβολής, αξίζει να σηµειωθεί πως η θερµοκρασία της γης είχε παραµείνει σταθερή για περίπου χρόνια!! Εικόνα 7 Σύµφωνα µε τις πιο αισιόδοξες προβλέψεις, οι οποίες εκφράζονται από τον Οργανισµό Ηνωµένων Εθνών η περιεκτικότητα της ατµόσφαιρας σε διοξείδιο του άνθρακα θα διπλασιαστεί (σε σχέση µε τη σηµερινή της τιµή) στα επόµενα χρόνια, ξεπερνώντας κατά δυο φορές το όριο που είχε διατηρηθεί σταθερό για περισσότερα από χρόνια, δηλαδή µετά το τέλος της εποχής των παγετώνων. Επιπλέον, η θερµοκρασία της γης θα αυξηθεί κατά 2 περίπου βαθµούς κατά τη διάρκεια του 21 ου αιώνα. 9

10 Οι µετρήσεις των διαφόρων εργαστηρίων κλιµατολογικών και ατµοσφαιρικών ερευνών ανά τον κόσµο, δείχνουν ότι το 1997 οι παγκόσµιες εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα ανήλθαν σε περισσότερους από 6 δισεκατοµµύρια τόνους, περισσότερο δηλαδή από 1 τόνο διοξειδίου για κάθε ανθρώπινο ων του πλανήτη. Επίσης το 1998 καταγράφηκε ως η θερµότερη χρονιά στα χρονικά, επιβεβαιώνοντας τις µελέτες των ειδικών, ότι πραγµατικά ζεσταίνουµε συνεχώς τον πλανήτη. Τα αποτελέσµατα αυτής της µεταβολής είναι σε µεγάλο βαθµό απρόβλεπτα, το σίγουρο όµως είναι ότι θα γίνουν πολύ επικίνδυνα για την ανθρωπότητα. Ήδη το λιώσιµο των πάγων στους πόλους είναι µετρήσιµο και αναµένεται η σταδιακή ανύψωση της στάθµης των θαλασσών, ενώ και τα διάφορα καιρικά φαινόµενα είναι πολύ πιο ισχυρά και απρόβλεπτα απ ότι στο παρελθόν. Η µοναδική εφικτή λύση στο τεράστιο αυτό περιβαλλοντικό πρόβληµα είναι η µείωση των εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα, µονοξειδίου του αζώτου καθώς και των υπόλοιπων βλαβερών ρύπων και ο µοναδικός τρόπος για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο είναι η παραγωγή ενέργειας χωρίς καύση ορυκτών καυσίµων. Η ιστορία του υδρογόνου ως καύσιµο Το υδρογόνο είναι το πιο διαδεδοµένο στοιχείο σε όλο το σύµπαν. Ωστόσο λόγω της αέριας φύσης του και της µεγάλης πτητικότητάς του είναι αδύνατον να βρεθεί στη φύση σε καθαρή µορφή. Γενικά εµφανίζεται ως βασικό συστατικό χιλιάδων οργανικών ενώσεων, συµπεριλαµβανοµένων και όλων των υδρογονανθράκων (όλα τα είδη καυσίµων) ενώ αποτελεί και ένα εκ των 2 βασικών συστατικών του νερού. Παρά λοιπόν το γεγονός πως το υδρογόνο υπάρχει παντού, απαιτούνται ορισµένες χηµικές ή ηλεκτροχηµικές διεργασίες για την αποµόνωση του σε καθαρή µορφή. Σε ότι αφορά την παραγωγή υδρογόνου από τους υδρογονάνθρακες αυτή είναι δυνατή µε τη µέθοδο της καταλυτικής µετατροπής των ατµών των υδρογονανθράκων και ιδιαίτερα του φυσικού αερίου. Το κύριο προϊόν της µετατροπής είναι το υδρογόνο, ωστόσο δευτερεύον προϊόν δυστυχώς αποτελεί και το διοξείδιο του άνθρακα όπως χαρακτηριστικά φαίνεται και στην χηµική αντίδραση που ακολουθεί. 10

11 CH 4 + 2H 2O 4H 2 + CO 2 Όπως είναι γνωστό, το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί τη βασική αιτία του φαινοµένου του θερµοκηπίου το οποίο είναι ιδιαίτερα βλαβερό για την ισορροπία του παγκόσµιου κλίµατος. Παρ όλα αυτά, σήµερα το 95% του παραγόµενου υδρογόνου αποτελεί προϊόν την µεθόδου της καταλυτικής µετατροπής των ατµών του φυσικού αερίου (steam reforming). Ωστόσο το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί και ηλεκτροχηµικά µε τη µέθοδο της ηλεκτρόλυσης του νερού, µε προϊόντα καθαρό αέριο υδρογόνο και οξυγόνο όπως φαίνεται και στην σχετική αντίδραση: 1 HO 2 H2 + O2 2 Εκ πρώτης όψεως η παραπάνω διεργασία είναι ιδανική για την παραγωγή υδρογόνου χωρίς περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ωστόσο η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την ηλεκτρόλυση του νερού, κάθε άλλο παρά αµελητέα µπορεί να χαρακτηριστεί. Στην περίπτωση λοιπόν της παραγωγής της ενέργειας για την ηλεκτρόλυση µέσω της καύσης υδρογονανθράκων, και λαµβάνοντας υπ όψη τους διάφορους επιµέρους βαθµούς απόδοσης που παρεµβάλλονται στη διαδικασία, διαπιστώνουµε πως κάθε άλλο παρά φιλική προς το περιβάλλον είναι η ηλεκτρολυτική διαδικασία. Εάν όµως η απαιτούµενη για την ηλεκτρόλυση ηλεκτρική ενέργεια παραχθεί από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας όπως είναι οι υδατοπτώσεις, η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια κ.λ.π, τότε επιτυγχάνεται η παραγωγή του πλέον καθαρού καυσίµου µε τον πλέον καθαρό τρόπο. Πάνω σε αυτή τη βάση στηρίζεται ολόκληρη η αναπτυσσόµενη και πολλά υποσχόµενη οικονοµία του υδρογόνου. Βέβαια από τη φάση της ανάπτυξης της τεχνογνωσίας έως την ένταξη της νέας τεχνολογίας στην κοινωνία, παρεµβάλλονται πολλά δυσεπίλυτα προβλήµατα. Έτσι λοιπόν, ενώ υπάρχει η τεχνολογία και οι υποδοµές για µονάδες ηλεκτρόλυσης νερού µε τη βοήθεια ανανεώσιµων πηγών ενέργειας, δεν υπάρχουν υποδοµές για την ασφαλή αποθήκευση αλλά και διανοµή του παραγόµενου υδρογόνου. Οι υποδοµές αυτές θεωρούνται απαραίτητες και η κατασκευή τους θα πρέπει να θεωρηθεί δεδοµένη, διαφορετικά είναι αδύνατη η εξάπλωση της νέας πολλά υποσχόµενης τεχνολογίας. 11

12 Εξετάζοντας λοιπόν τα βοηθητικά υποσυστήµατα αποθήκευσης και διανοµής του υδρογόνου, διαπιστώνουµε πως υπάρχει επίσης η απαιτούµενη τεχνογνωσία η οποία όµως έχει σχετικά αυξηµένο κόστος λόγω της µικρής έως τώρα ζήτησης. Συνεπώς πρέπει να αναζητηθούν παραγωγικές διαδικασίες που θα συντελέσουν στη µείωση του κόστους παραγωγής του κάθε υποσυστήµατος έτσι ώστε να επιτευχθεί η τελική µείωση του κόστους του προϊόντος που θα καταστήσει το υδρογόνο ανταγωνιστικό. Όλα τα παραπάνω ζητήµατα αλλά και ότι άλλο έχει σχέση µε την τεχνικο-οικονοµική υπόσταση της τεχνολογίας του υδρογόνου είναι προϊόν µελέτης του κλάδου της Οικονοµίας του Υδρογόνου. Με τον όρο αυτό, τον οποίο πρωτοεισήγαγε το 70 η General Motors κατά τη διάρκεια της πετρελαϊκής κρίσης, περιγράφονται όλοι οι φορείς που παρεµβάλλονται τόσο στις τοποθεσίες παραγωγής του υδρογόνου όσο και στις περιοχές αποθήκευσης καθώς και στα µελλοντικά δίκτυα διανοµής του καυσίµου. Παρά λοιπόν το γεγονός πως η πετρελαϊκή κρίση τερµατίστηκε, και η τιµή των ορυκτών καυσίµων έπεσε πάλι σε σχετικά χαµηλά επίπεδα, η Οικονοµία του Υδρογόνου συνεχίζει να υπάρχει προσβλέποντας είτε σε µια ήπια αλλαγή της τεχνολογίας λόγω της αυξανόµενης περιβαλλοντικής ευαισθησίας είτε σε βίαιη αλλαγή λόγο µιας ενδεχόµενης νέας πετρελαϊκής κρίσης. Η υδρογονοφοβία Οι εταιρείες που εµπλέκονται στην Οικονοµία του Υδρογόνου προσπαθώντας να ανιχνεύσουν τη διάθεση της κοινωνίας στη νέα, πολλά υποσχόµενη τεχνολογία, πραγµατοποίησαν διάφορες ανεξάρτητες έρευνες αγοράς. Τα αποτελέσµατα των ερευνών αυτών ήταν εξαιρετικά ενδιαφέροντα. Έτσι λοιπόν όπως φαίνεται, οι νέοι θεωρούν πως το Υδρογόνο είναι η σανίδα σωτηρίας της ανθρωπότητας απέναντι στη µόλυνση του περιβάλλοντος και τη λύση του ενεργειακού προβλήµατος αλλά χρειάζεται µεγάλη προσοχή στη διαχείριση του εύφλεκτου και ιδιαίτερα εκρηκτικού καυσίµου. Αντίθετα οι γηραιότεροι, κυρίως οι ηλικιωµένοι διατηρούν µια πολύ επιφυλακτική στάση απέναντι στην τεχνολογία του υδρογόνου παρουσιάζοντας ορισµένα δείγµατα φοβίας και στο άκουσµα ακόµα στης λέξης Υδρογόνο. Το φαινόµενο αυτό είναι απόλυτα κατανοητό από τους ειδικούς και οι ρίζες του µπορούν να ανακαλυφθούν εξετάζοντας την πρόσφατη ιστορία. 12

13 Στις 6 Μαΐου του 1937 και στις 7:30 το απόγευµα περίπου, το αερόπλοιο άκαµπτου σκελετού Hindenburg κατέφθασε στο σηµείο προγραµµατισµένης προσγείωσης στο Lakehurst του New Jersey των Η.Π.Α. Επρόκειτο για ένα γιγάντιο αερόπλοιο το οποίο ήταν γεµάτο µε χιλιάδες κυβικά µέτρα υδρογόνου το οποίο του επέτρεπε να πραγµατοποιεί πτήσεις. Ήταν κατασκευασµένο από την ξακουστή γερµανική εταιρεία Zeppelin και µετέφερε περίπου 100 προνοµιούχους επιβάτες σε µια αεροπορική κρουαζιέρα. Την εποχή εκείνη οι πτήσεις κάθε άλλο παρά ρουτίνα αποτελούσαν για τους απλούς πολίτες, έτσι λοιπόν ένα αρκετά µεγάλο πλήθος βρισκόταν κοντά στην περιοχή προσγείωσης θαυµάζοντας το εντυπωσιακό κατασκεύασµα. Ωστόσο ο καιρός στην περιοχή δεν ήταν ιδιαίτερα καλός. Κατά τη διάρκεια της προσέγγισης του αερόπλοιου η ατµόσφαιρα ήταν ιδιαίτερα φορτισµένη, και πολλοί κεραυνοί έπλητταν τη γύρω περιοχή. Σύµφωνα µε αυτόπτες µάρτυρες, το Hindenburg πλησίασε αργά προς τη σηµείο προσγείωσης όπου και άρχισε να απελευθερώνει υδρογόνο για να απολέσει ύψος και να προσγειωθεί. Ξαφνικά χτυπήθηκε από κάποιο κεραυνό και έχασε την ισορροπία του ενώ εκδηλώθηκε πυρκαγιά στο πίσω µέρος του σκάφους. Καθώς το πλήρωµα προσπαθούσε να το επαναφέρει στη σωστή πορεία και να το προσγειώσει, η ουρά του αερόπλοιου ακούµπησε στο έδαφος προκαλώντας νέα πυρκαγιά. ηµιουργήθηκε λοιπόν πανικός και πολλοί επιβάτες άρχισαν να πηδούν στο κενό από αρκετά µεγάλο ύψος βρίσκοντας τραγικό θάνατο. Τελικά το Hindenburg προσγειώθηκε και οι ψυχραιµότεροι επιβάτες βγήκαν σώοι από το φλεγόµενο σκάφος. Το τραγικό νέο διαδόθηκε αστραπιαία τόσο από το παρευρισκόµενο πλήθος όσο και από τα µέσα ενηµέρωσης που κάλυπταν το γεγονός. Επίσης το γεγονός προκάλεσε τον τρόµο στη διεθνή κοινή γνώµη και λόγω της ύπαρξης φωτογραφιών της καταστροφής (ίσως η πρώτη φορά που αιχµαλωτίζεται ένα µεγάλο ατύχηµα από το φακό της φωτογραφικής µηχανής). 13

14 Εικόνα 8: Το εξώφυλλο της εφηµερίδας New York Times την εποµένη του ατυχήµατος Για πάρα πολλά χρόνια όλοι θεωρούσαν πως οι πυρκαγιές στο Hindenburg είχαν προκληθεί από το εύφλεκτο υδρογόνο, δηµιουργώντας έτσι ένα κλίµα φοβίας απέναντι στο υδρογόνο. Ωστόσο στα τέλη του 90 ένας ερευνητής της NASA και πρώην διευθυντής του Προγράµµατος Υδρογόνου 14

15 της NASA, κατάφερε να ανακαλύψει τις πραγµατικές αιτίες αυτής της τραγωδίας. Οι πρώτες αµφιβολίες που είχε οφείλονταν στην παρατήρηση των φωτογραφιών της καταστροφής οι οποίες έδειχναν τεράστιες πορτοκαλί φλόγες στο πίσω µέρος του σκάφους. Ωστόσο ο υδρογόνο όταν καίγεται δεν παράγει ορατές φλόγες. Επίσης κανείς δεν ανέφερε την οσµή σκόρδου που προστίθετο στο υδρογόνο για την εύκολη ανίχνευση διαρροών συνεπώς δεν εµφανίστηκαν σηµαντικές διαρροές αερίου. Τέλος πραγµατοποιώντας φασµατογραφικές αναλύσεις στα συντρίµµια του σκάφους που είχαν συλλεχθεί και αποθηκευθεί, ο ερευνητής της NASA έβγαλε ορισµένα πολύ εντυπωσιακά πορίσµατα. Αρχικά οι τεράστιες φλόγες προκλήθηκαν από την ανάφλεξη του πετρελαίου των κινητήρων προώθησης του σκάφους και σε αυτές οφείλονται οι διάφορες καταστροφές και τραυµατισµοί. Ωστόσο η έναρξη της πυρκαγιάς µετά την ηλεκτρική εκκένωση που προκάλεσε ο κεραυνός οφείλεται στην επικάλυψη του υφασµάτινου περιβλήµατος του αερόπλοιου. Το αερόπλοιο λοιπόν ήταν καλυµµένο µε βαµβακερό ύφασµα το οποίο ήταν εµποτισµένο µε ένα υλικό που το καθιστούσε ισχυρό και αδιάβροχο. Το υλικό αυτό ήταν ένα µίγµα νιτρικής σελουλόζης (είδος συνθετικής πυρίτιδας) και σκόνης αλουµινίου (συστατικό των προωθητικών των πυραύλων). Όπως είναι προφανές, η βαµβακερή επικάλυψη του Hindenburg εκτός από αδιάβροχη ήταν και εξαιρετικά εκρηκτική!! Η ατµοσφαιρική µόλυνση των οχηµάτων και η πορεία προς την υδρογονοκίνηση Τα αυτοκίνητα και τα λοιπά τροχοφόρα εµφανίστηκαν στους δρόµους των πόλεων εδώ και περίπου 150 χρόνια. Ωστόσο η εξέλιξη τους ήταν πραγµατικά αλµατώδης, έτσι ώστε στις µέρες µας να κυκλοφορούν εκατοντάδες εκατοµµύρια οχήµατα, τα περισσότερα από τα οποία συνωστίζονται στους δρόµους των πόλεων. Το τεράστιο αυτό πλήθος των αυτοκινήτων παράγει ασύλληπτες ποσότητες αέριων ρύπων οι οποίοι δηµιουργούν τεράστια περιβαλλοντικά προβλήµατα στις αστικές περιοχές αλλά και σηµαντικά προβλήµατα υγείας στους κατοίκους των πόλεων. Η κατάσταση άρχισε να γίνεται πραγµατικά αφόρητη κατά τη δεκαετία του 80 όπου τα αποτελέσµατα της ατµοσφαιρικής µόλυνσης των πόλεων 15

16 ήταν πλέον ιδιαίτερα εµφανή. Έτσι λοιπόν από το 1990 πάρθηκαν διάφορες αποφάσεις από τους αρµόδιους κρατικούς φορείς αλλά και από ανεξάρτητους οργανισµούς, µε σκοπό τη µείωση της µόλυνσης των πόλεων, ιδιαίτερα αυτής που προκαλείται από τα οχήµατα. Ανάµεσα στα διάφορα µέτρα που λήφθηκαν είναι η υιοθέτηση της αµόλυβδης βενζίνης σε συνδυασµό µε τους καταλυτικούς µετατροπείς στις εξατµίσεις των αυτοκινήτων, ο αυστηρός έλεγχος της καύσης στους κινητήρες και οι τακτικοί έλεγχοι των εκπεµπόµενων καυσαερίων καθώς και η σταδιακή µείωση των ανώτατων εκπεµπόµενων ρύπων από τους κινητήρες µε το πέρασµα των χρόνων. Έτσι λοιπόν πρέπει στα µέσα της πρώτης δεκαετίας του 2000, η πλειονότητα των παραγόµενων αυτοκινήτων να καλύπτει και τις πιο αυστηρές προδιαγραφές εκπεµπόµενων ρύπων για να αποκτήσει τον απαραίτητο χαρακτηρισµό Όχηµα Μηδενικών (ή σχεδόν µηδενικών) Ρύπων. Οι παραπάνω κινήσεις ευνόησαν της εξέλιξη των συµβατικών κινητήρων οι οποίοι πλέον είναι πολύ λιγότερο ρυπογόνοι από τους παλαιότερους. Επιπλέον δόθηκε το ουσιαστικό έναυσµα για τη µελέτη και παραγωγή οχηµάτων µε εναλλακτικούς κινητήρες όπως είναι για παράδειγµα οι κυψέλες καυσίµων. Οι πλέον πρόσφατες έρευνες δείχνουν πως έχει επιτευχθεί µια µείωση κατά 70% των εκποµπών µονοξειδίου του αζώτου και 90% διοξειδίου του άνθρακα σε όλους τους σύγχρονους κινητήρες, η οποία αν µη τι άλλο είναι εντυπωσιακή. Ωστόσο οι ίδιες έρευνες αναφέρουν πως η ρύπανση που προέρχεται από το οχήµατα είναι υπεύθυνη για το 78% του συνόλου των εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα, το 45% του συνόλου των εκποµπών µονοξειδίου του αζώτου και του 37% των διαφόρων άλλων βλαβερών ουσιών. Ακόµα η ρύπανση από τους κινητήρες των οχηµάτων φαίνεται να έχει προκαλέσει και περισσότερους από θανάτους παγκοσµίως, λόγω αναπνευστικών προβληµάτων καθώς και λόγω πρόκλησης διαφόρων µορφών καρκίνου. Τα παραπάνω καθιστούν σαφές ότι είναι επιτακτική η άµεση αλλαγή τεχνολογίας στα συγκροτήµατα ισχύος των οχηµάτων µε απώτερο σκοπό την ελαχιστοποίηση η καλύτερα την εξάλειψη των εκπεµπόµενων ρύπων. Μέχρι σήµερα η καλύτερη και πιο συµφέρουσα λύση στο πρόβληµα των ρύπων των αυτοκινήτων είναι η τεχνολογία των κυψελών καυσίµου. 16

17 Ειδικότερα δε οι κυψέλες καυσίµου που κάνουν χρήση υδρογόνου ως καύσιµο είναι ιδανικές αφού αποτελούν τον απολύτως καθαρό τρόπο παραγωγής ενέργειας. Εικόνα 9: Λεωφορεία µηδενικής εκποµπής ρύπων, κινούµενα µε κυψέλες καυσίµων Εικόνα 10: Επιβατικό αυτοκίνητο Honda κινούµενο µε κυψέλες καυσίµων 17

18 Σύγκριση της λειτουργίας των κυψελών καυσίµου µε τις συµβατικές θερµικές µηχανές Στις επόµενες παραγράφους θα επιχειρηθεί µια σύγκριση των θερµικών µηχανών εσωτερικής καύσης µε τις κυψέλες καυσίµων προκειµένου να εντοπιστούν οι διαφορές αλλά και οµοιότητες που παρουσιάζουν τόσο στη φιλοσοφία τους όσο και στο σχεδιασµό και τη λειτουργία τους. Η βασική οµοιότητα που παρουσιάζουν τα παραπάνω συστήµατα είναι µόνο ο σκοπός για τον οποίο κατασκευάστηκαν. Πρόκειται δηλαδή για συσκευές που ως σκοπό τους έχουν τη µετατροπή της χηµικής ενέργειας των καυσίµων σε µια άλλη µορφή ενέργειας, περισσότερο χρήσιµη για τον άνθρωπο. Εξετάζοντας αρχικά τις συµβατικές µηχανές εσωτερικής καύσης, παρατηρούµε ότι πρόκειται για διατάξεις που λειτουργούν µε βάση τους θερµοδυναµικούς νόµους και φυσικά υπόκεινται στους σχετικούς περιορισµούς. Ο σκοπός αυτών των µηχανών είναι η µετατροπή της χηµικής ενέργειας των καυσίµων σε θερµική ενέργεια η οποία στη συνέχεια µε κατάλληλες µηχανικές διατάξεις µετατρέπεται σε κινητική ενέργεια ή σε ορισµένες περιπτώσεις και σε ηλεκτρική. Το πρώτο βασικό µειονέκτηµα των µηχανών αυτών το οποίο προκύπτει εύκολα από τη θεωρητική και µόνο προσέγγιση της λειτουργίας τους είναι η διαδικασία της µετατροπής της θερµικής ενέργειας σε κινητική η οποία υπόκεινται στους νόµους και τους περιορισµούς της θερµοδυναµικής. Ο µέγιστος λοιπόν θεωρητικός βαθµός απόδοσης (θερµοδυναµικά) είναι ο βαθµός απόδοσης του κύκλου Carnot. Επιπλέον οι ατέλειες στη διαδικασία της καύσης, οι τριβές των βασικών κινούµενων µηχανικών µερών, οι παρασιτικές τριβές των κινούµενων µηχανικών υποσυστηµάτων καθώς και οι τεράστιες θερµικές απώλειες ρίχνουν τον τελικό βαθµό απόδοσης των µηχανών εσωτερικής καύσης στο %. Αντίθετα στις κυψέλες καυσίµων δεν εµφανίζεται πουθενά το φαινόµενο της καύσης. Για την ακρίβεια υπάρχει απ ευθείας µετατροπή της χηµικής ενέργειας του καυσίµου σε ηλεκτρική ενέργεια. Ενώ λοιπόν οι αντιδράσεις που συµβαίνουν είναι αντιδράσεις καύσης (οξείδωσης), στην περίπτωση των κυψελών καυσίµου οι αντιδράσεις πραγµατοποιούνται πολύ πιο ήπια παράγοντας λιγότερη χαµένη θερµότητα και µετατρέποντας πολύ µεγαλύτερο ποσοστό χηµικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Επιπλέον οι κυψέλες 18

19 καυσίµου δεν διαθέτουν καθόλου κινούµενα µέρη, συνεπώς δεν παρουσιάζουν τριβές. Το αποτέλεσµα των παραπάνω είναι η λειτουργία των κυψελών καυσίµου µε έναν βαθµό απόδοσης της τάξης του 70 85%. ευτερογενές αποτέλεσµα των παραπάνω είναι η αθόρυβη και αξιόπιστη λειτουργία χωρίς απαιτήσεις συντήρησης. Μια βασική όµως οµοιότητα των κυψελών καυσίµου µε τους θερµικούς κινητήρες (και η βασική διαφορά των κυψελών καυσίµου µε τις µπαταρίες) είναι η ανάγκη αποθήκευσης και κατανάλωσης κάποιου καυσίµου. Έτσι λοιπόν υπάρχουν διάφορα είδη κυψελών καυσίµου τα οποία έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν µε διάφορα είδη καυσίµου, κυρίως αέριους υδρογονάνθρακες και υδρογόνο. 19

20 Ενεργειακές Κυψέλες Υδρογόνου Ιστορική Αναδροµή Η εκµετάλλευση του υδρογόνου για την παρασκευή ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καύση δεν είναι καθόλου νέα ιδέα. Για την ακρίβεια η ιστορία µας ταξιδεύει πίσω στην Αγγλία του Ο Γουίλιαµ Γκρουβ (William Grove), φαρµακοποιός και ερασιτέχνης φυσικός πειραµατιζόταν µε το ενδιαφέρον φαινόµενο της ηλεκτρόλυσης του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Μετά το πέρας ενός πειράµατος ηλεκτρόλυσης παρατήρησε την εµφάνιση ηλεκτρικού ρεύµατος στο κύκλωµα της ηλεκτρολυτικής διάταξης. Εκµεταλλευόµενος αυτό το εντυπωσιακό φαινόµενο, ο Grove κατασκεύασε τέσσερις µεγάλες κυψέλες που περιείχαν οξυγόνο και υδρογόνο για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος. Το ηλεκτρικό ρεύµα στη συνέχεια διοχετευόταν σε µια ηλεκτρολυτική διάταξη για το διαχωρισµό του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Η παραπάνω εφαρµογή µπορεί να θεωρηθεί ως η πρώτη διάταξη παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος µε τη βοήθεια ενεργειακών κυψελών υδρογόνου. Τόσο η θεωρητική βάση, όσο και η πειραµατική επαλήθευση του φαινοµένου ήταν τόσο εντυπωσιακές που ο εφευρέτης έστειλε επιστολή στον πατέρα του ηλεκτρισµού Michael Faraday σηµειώνοντας πως αναµφίβολα το περιγραφόµενο πείραµα ήταν ιδιαίτερα σηµαντικό για την πορεία του ηλεκτρισµού. Ωστόσο, παρά το γεγονός της εµφάνισης των κυψελών υδρογόνου στα µέσα του 1800, χρειάστηκε να περάσουν άλλα 120 χρόνια µέχρι να αρχίσει η χρήση των πρώτων κυψελών σε ένα µικρό αριθµό εφαρµογών. Πιο συγκεκριµένα το 1960 η NASA ερεύνησε πολλές από τις δυνατότητες χρήσης των κυψελών υδρογόνου, τοποθετώντας συστοιχίες κυψελών στα διαστηµόπλοια Gemini τα οποία εκτόξευε την περίοδο εκείνη στο διάστηµα. Για τη δηµιουργία ωστόσο αξιόπιστων και παραγωγικών κυψελών, απορροφήθηκαν από τον προϋπολογισµό της NASA περίπου 1.1 εκατοµ. δολάρια. Συνεπώς η τεχνολογία των κυψελών υδρογόνου υπήρχε, ήταν παραγωγική αλλά και απίστευτα ακριβή. Το σύνολο του ερευνητικού, τεχνολογικού και βιοµηχανικού κόσµου αναγνώρισε τα πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας των κυψελών καυσίµων ωστόσο η υπάρχουσα προσφερόµενη 20