(Μωβ λάμψη σε κατάσταση πλάσματος)

Transcript

1 (Μωβ λάμψη σε κατάσταση πλάσματος)

2 Η ενεργειακή ζήτηση δυστυχώς ακόμα καλύπτεται κυρίως από τα ορυκτά καύσιμα (π.χ. πετρέλαιο, φυσικό αέριο, άνθρακας), Επιπτώσεις 1) κλιματικές αλλαγές, 2) εξάντληση τους με ταχείς ρυθμούς οδηγεί σε αύξηση των τιμών τους, περιόδους ενεργειακών κρίσεων, πολέμους και σε λοιπά δεινά Επιτακτική ανάγκη η αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας, ανανεώσιμων και φιλικών προς το περιβάλλον Λύση προτεινόμενη υποκατάσταση έστω και μερικώς του υφιστάμενου συστήματος παραγωγής ενέργειας από το Υδρογόνο Δεν αποτελεί πηγή ενέργειας αλλά σημαντικό ενεργειακό «φορέα» (δευτερογενή) Χρήσεις: κατευθείαν ως καύσιμο σε κινητήρα εσωτερικής καύσης, σε κινητήρες εξωτερικής καύσης (jet) Σε κυψέλες καυσίμου, μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική

3 Ως χημικό στοιχείο αμέταλλο με ατομικό αριθμό 1 Το πλέον άφθονο στοιχείο στο γαλαξία μας και στο σύμπαν (90 % σε αριθμό ατόμων, 75 % κατά μάζα) Ελαφρύτερο από τον αέρα οπότε διαχέεται πολύ γρήγορα στην ατμόσφαιρα. Δεν βρίσκεται ελεύθερο στη φύση Συναντάται μόνο σε χημικές ενώσεις ενωμένο με άλλα στοιχεία, όπως με τον άνθρακα, δημιουργώντας έτσι διάφορες ενώσεις της κατηγορίας των Η/C καθώς και με το Ο 2 στο μόριο του Η 2 Ο Ιδιότητες: Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας αέριο άχρωμο, άοσμο, άγευστο, έυφλεκτο.

4 Εγκατεστημένη δυναμικότητα παραγωγής σήμερα: 400 δισ m 3 /έτος (360 Mtoe το 3,5 % του παγκόσμιου ενεργειακού ισοζυγίου) Δυνατότητα παραγωγής απ όλες τις πηγές ενέργειας Συμβατικές διεργασίες: Μετατροπή μιας χημικής ένωσης που περιέχει υδρογόνο σε αέριο μίγμα πλούσιο σε υδρογόνο. Το 98% της παραγωγής, Εκπομπές CO 2, γι αυτό πρέπει να συνοδεύονται από κατάλληλα συστήματα συλλογής και αποθήκευσής του (Carbon Capture and Storage, CCS) Παραγωγή υδρογόνου από Η/C : αναμόρφωση με υδρατμούς του φυσικού αερίου (48%) (CH + 2H 4 2 O CO 2 + 4H 2 αναμόρφωση με υδρατμούς (ήμερικήοξείδωση) των παραγώγων ) του πετρελαίου (30%) (C X H Y + 2xH 2 O xco + (4x+ y)/2 H 2 2 ),αεριοποίηση άνθρακα (18%) Παραγωγή υδρογόνο από Νερό: Ηλεκτρόλυση (4%), Θερμοχημική διάσπαση

5 Παραγωγή υδρογόνου με βιώσιμο τρόπο μειώνοντας έως και μηδενίζοντας το καθαρό ποσό του CO 2 που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, Από Α.Π.Ε. : Αιολική, Ηλιακή ενέργεια για ηλεκτρόλυση του H 2 O Βιομάζα, 2 κύριες κατηγορίες: Θερμοχημικές και βιολογικές Θερμοχημικά: Μέσω πυρόλυσης ή αεριοποίησης Βιολογικά παραγωγή Βιο-υδρογόνου ως παραπροϊόν του μεταβολισμού των μικροοργανισμών Παραδείγματα: Από ξυλεία Αεριοποίηση, Από άλγη, κι αλκοόλες Ζύμωση/ αναμόρφωση Υπάρχουν διαθέσιμες τεχνολογίες, αλλά Απαιτούνται συντονισμένες προσπάθειες έρευνας κι ανάπτυξης ώστε οι προτεινόμενες τεχνολογίες να καταστούν οικονομικά ανταγωνιστικές σε σχέση με τις υφιστάμενες μεθόδους

6 Πιθανοί συνδυασμοί παραγωγής Η 2 και τελικής χρήσης του ως καύσιμο.

7 Ένα από τα προβλήματα στη χρήση του υδρογόνου είναι η αποθήκευση του, 1 γραμμάριο αέριου υδρογόνου καταλαμβάνει περίπου 11 λίτρα χώρου σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό δυσκολεύει την αποθήκευσή του, μιας και απαιτείται έντονη πίεση αυτού κάτω από μερικές εκατοντάδες ατμόσφαιρες και χρήση δοχείων αποθήκευσης με υψηλή αντοχή σε μεγάλες πιέσεις. Έτσι, λοιπόν, το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευθεί κυρίως: Σε φιάλες αερίου υψηλής πίεσης, έως και 200 bar Ως υγρό σε κρυογονικές δεξαμενές Προσροφημένο σε υλικά με μεγάλη ειδική επιφάνεια και Ροφημένο σε ενδοπλεγματικές θέσεις σε μέταλλα (υδρίδια μετάλλων).

8 Τρόποι αποθήκευσης του Η 2 Στη φυσική του μορφή Ενσωματωμένο σε υλικά Συμπιεσμένο αέριο Συμπιεσμένο κρύο υγρό Υγροποιημένο Η 2 Βέλτιστη λύση τα σύνθετα υδρίδια αποθ. Ικανότητα 0,43 toe/m 3 ενώ βενζίνη 0,92 toe/m 3 Προσφοφημένο Οργανικό υγρό Υδρίδια μετάλλων Σύνθετα υδρίδια Αλκαλικά διαλύματα

9 Καύση: Η 2 + 1/2 Ο Η 2 2 Ο και μικρές ποσότητες ΝΟ χ εκπομπές CO2 η πλέον βιώσιμη και καθαρή πηγή ενέργειας μηδενικές To κατά βάρος ποσό ενέργειας που παράγεται μεγαλύτερο από κάθε άλλο καύσιμο, ΔH =-29,15 kcal/gr που είναι, 2,3, 2,8 και 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή του CH 4, τηςβενζίνηςκαιτουγαιάνθρακα αντίστοιχα. Πολύ ευρύτερα όρια ανάφλεξης στον αέρα(4 %-75% κ.ο.) σε σχέση με το μεθάνιο (5,3 % -15 % κ.ο.), και τη βενζίνη (1% - 7,6 % κ.ο.) (δηλ. αναφλέγεται πολύ πιο εύκολα) Άλλα θετικά αποτελέσματα: Γρήγορη ταχύτητα καύσης Υψηλός αριθμός οκτανίων, μηδενική τοξική δράση Μηδενική πιθανότητα σχηματισμού όζοντος Είναι ανεξάντλητο Μπορεί να αλλάξει ριζικά το περιβαλλοντικό προφίλ των κινητήρων των αυτοκινήτων

10 1. Δεξαμενή υγρού υδρογόνου (LH2) 2.Τάπα ρεζερβουάρ υδρογόνου/σημείο πλήρωσης 3. Σωλήνας παροχής υδρογόνου στη δεξαμενή 4. Γραμμή ασφαλείας μέχρι τη βαλβίδα ανακούφισης 5. Βοηθητική μονάδα με εναλλάκτη θερμότητας για το Η 2 και μονάδα ελέγχου για τη δεξαμενή υδρογόνου 6. Κινητήρας διπλού καυσίμου 7. Πολλαπλή εισαγωγή με γραμμή τροφοδοσίας αερίου Η 2 8. Σύστημα διαχείρισης της εξάτμισης του υδρογόνου (BMS) 9. Ρεζερβουάρ βενζίνης 10. Βαλβίδα ρύθμισης της πίεσης

11

12 Είναι η περίσσοτερο ελκυστική λύση εξαιτίας των ιδιαίτερα υψηλών αποδόσεων, έως και % σε δυναμικότητες λίγων kw Μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Μια κυψέλη λειτουργεί παρόμοια με μια μπαταρία.

13 Τύποι κυψελών καυσίμου Ηλεκτρολύτης Μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) Αλκάλια (AFC) Φωσφορικό οξύ (PAFC) Τηγμένα ανθρακικά άλατα (MCFC) Σταθεροποιημέ να οξείδια (SOFC) Θερμοκρασία λειτουργίας 80 ο C ο C Περίπου 200 ο C 650 ο C ο C Ηλεκτρικός φορέας Ιόν υδρογόνου Ιόν υδρογόνου Ιόν υδρογόνου Ανθρακικό ιόν Ιόν οξυγόνου Καταλύτης Πλατίνα Πλατίνα Πλατίνα Νικέλιο Ιόν οξυγόνου Απόδοση (%) >60 >60 Κυριότερες εφαρμογές Μεταφορές, ηλεκτροπαρα γωγή, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές Διάστημα Ηλεκτροπαραγω γή και συμπαραγωγή σε κτηριακές εγκαταστάσεις Κεντρικές μονάδες ηλεκτροπαρ αγωγής, συμπαραγω γής Κεντρικές μονάδες ηλεκτροπαραγ ωγής, συμπαραγωγής

14

15 Κατανομή της παγκόσμιας παραγωγής συστημάτων κυψελών ανά εφαρμογή «US Fuel Cell Counci» )

16 Οι κατασκευαστικές εταιρίες των κυψελών καυσίμου επικεντρώνουν το ενδιαφέρον τους για εφαρμογές των τεχνολογιών που αναπτύσσουν στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα λόγω του προβλεπόμενου μεγέθους της αγοράς. Σχεδόν όλες οι αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν κατασκευάσει πρότυπα οχήματα κυψελών καυσίμου και έχουν ανακοινώσει τη μαζική παραγωγή τους στο άμεσο μέλλον. Αρκετά από αυτά χρησιμοποιούν μόνο κυψέλες υδρογόνου ως πηγή τροφοδοσίας, ενώ κάποια άλλα χρησιμοποιούν και μπαταρίες ως εναλλακτική πηγή τροφοδοσίας. Το καύσιμο είναι είτε καθαρό υδρογόνο σε υγρή ή αέρια μορφή, είτε από αναμόρφωση. (εγκατεστημένος αναμορφωτής καυσίμου, τροφοδοτείται με H/C) Video Toyota fuel cell system,

17 α) Πηγή παροχής ηλεκτρικής ενέργειας αντικαθιστώντας το δίκτυο σε απομακρυσμένες περιοχές. β) Πηγή διασυνδεδεμένη παράλληλα με το δίκτυο λειτουργώντας είτε ως σταθμός βάσης είτε καλύπτοντας τιςαιχμέςζήτησης. γ) Συνδυασμός με άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως οι ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια σε περιόδους που οι άλλες πηγές δεν καλύπτουν τη ζήτηση. δ) Εφεδρικά συστήματα τροφοδοσίας όταν το δίκτυο αδυνατεί να παρέχει ενέργεια λόγω βλάβης.

18 Συνδυασμός χρήσης υδρογόνου με άλλες ανανεώσιμες πηγές για παραγωγή ηλεκτρ. ενέργειας

19 Το σημαντικότερο πρόβλημα στην αξιοποίηση του ως καύσιμο, η μη διαθεσιμότητά του στη φύση, και το υψηλό κόστος των μεθόδων παραγωγής του. Οικονομικά εξάλειψης του ανθρακικού αποτυπώματος Τιμή πετρελαίου και φυσικού αερίου 3.0 Ηλεκτρική ενέργεια από τον άνθραικα, με απομάκρυνση και αποθήκευση του CO 2 υπογείως $/GJ 21.9 Ηλεκτρική ενέργεια από το φυσικό αέριο, με αποθήκευση του CO 2 υπογείως 18.8 Τιμή ηλεκτρικής ενέργειας, ανά μονάδα καύσης άνθρακα 12.5 Υδρογόνο από την ηλεκτρόλυση Η 2 Ο, βασισμένο σε τιμή ηλεκτρ. Ενέργειας $/kwh Υδρογόνο από τον άνθρακα, με απομάκρυνση κι αποθήκευση του CO 2 υπογείως Υδρογόνο από το φυσικό αέριο, με απομάκρυνση κι αποθήκευση του CO 2 υπογείως

20 Η καύση του υδρογόνου είναι καθαρή, αποτελείται από νερό και μικρές ποσότητες ΝΟ Χ, λόγωτηςκαύσηςτου υδρογόνου με τον αέρα: Η 2 + Ο 2 + Ν 2 Η 2 Ο + Ν 2 + ΝΟ Χ Μετηνλήψηκατάλληλωνμέτρωνυπάρχειηπεποίθηση ότι η ποσότητα ΝΟ Χ μπορεί να μειωθεί, φθάνοντας ακόμη και στο 1/200 των αντίστοιχων εκπομπών από κινητήρες ντήζελ Ωστόσο περιβαλλοντικά προβλήματα προκύπτουν από την παραγωγή του Η 2. π.χ. Η αναμόρφωση του μεθανίου με υδρατμούς (η πλέον οικονομική και σχεδόν ολικά επικρατέστερη μέθοδος) παράγει περίπου τις ίδιες ποσότητες εκπομπών CO 2, όπως η καύση των ορυκτών καυσίμων.

21 Η σημερινή χρήση υδρογόνου για παραγωγή ισχύος στο 3 % της κατανάλωσης ενέργειας με ρυθμό ανάπτυξης περίπου 5-10 % ετησίως Ανάπτυξη τεχνολογιών Α.Π.Ε. για την παραγωγή Η 2, εκμηδενίζοντας τα περιβαλλοντικά προβλήματα. Η βιομάζα σημαντική ανανεώσιμη πηγή ενέργειας για την παραγωγή Η 2, και μια επιλογή χαμηλού κόστους για χώρες με μεγάλο αγροτικό τομέα Βελτίωση τεχνολογίας κυψελών καυσίμου π.χ. προβλέπεται σημαντική ελάττωση κόστους κυψελών τύπου PEM από 500 με 1000 ευρώ/kw περίπου σήμερα εως και κάτω από 100 ευρώ/kw, μέσα στα επόμενα 10 χρόνια, αν βελτιωθούν κάποια χαρακτηριστικά

22 Το σενάριο Β1-Η 2 που αναπτύχθηκε στην Διακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή (IPPC), Α) Εξέλιξη του ενεργειακού μίγματος και Β) εξέλιξη της συμβολή των διαφόρων μεθόδων παραγωγής Η 2 (Barreto et.al. 2002)

23 Το ενεργειακό μίγμα αλλάζει σημαντικά στην πορεία του 21 ου αιώνα, εφόσον η τάση προς καθαρότερους, πιο ευέλικτους και πρακτικά εφαρμόσιμους φορείς ενέργειας συνεχίζεται απτόητη. Το υδρογόνο υποκινούμενο από τη διείσδυση των περισσότερο αποδοτικών τεχνολογιών για την τελική χρήση, αυξάνει το μερίδιό του δραματικά, καταλαμβάνοντας αισίως το 49 % περίπου της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας, μέχριτοτέλοςτου 21 ου αιώνα. Καθίσταται έτσι ο κύριος ενεργειακός φορέας. Κι ελπίζουμε φορέας απαλλαγής των δεινών που συνδέονται με την εκμετάλλευση των ορυκτών καυσίμων

24 Πανελλήνιος Σύλλογος Χημικών Μηχανικών/ Βιβλίο: Βιοκαύσιμα, Αειφόρος ενέργεια/ Κεφάλαιο 12: Βιοϋδρογόνο: Τεχνολογίες Παραγωγής, Προοπτικές και Κοινωνικο-οικονομικές επιπτώσεις /Εκτενής Βιβλιογραφική και ερευνητική εργασία των: Ζ. Ιωακειμίδης και Τ. Κράϊα από Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, /, Μ.Ουζουνίδου, Γ.Ε. Μαρνέλλος από Εθνικό Κέντρο Έρευνας & Τεχνολογικής Ανάπτυξης, ΕΚΕΤΑ, Ινστιτούτο Χημικών Διεργασιών & Ενεργειακών πόρων, ΙΔΕΠ Διαφάνειες παρουσίασης επίκουρου καθηγητή στο Τμήμα Μηχ. Περιβάλλοντος κ Κων. Αθανασίου στα πλαίσια του μαθήματος Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Εξαμηνιαία Εργασία με Θεμα: Θερμικές Μηχανές Σύστημα Τροφοδοσίας Αέριων Καυσίμων/Διδάσκων καθηγητής Καρκάνης Αναστάσιος/ φοιτήτριες Βογιατζή Χρυσοστόμη, Κατής Χριστόδουλος, Σιημιλλά Θεοδοσία, Τσέκο Ελενα Library.ΤΕΕ. Gr/ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ/Δελλής Πολυχρόνης PhD,DIC, Eur,Ing, CENG, MIMECHE, Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, Επιστημονικός Συνεργάτης Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε./ Ρέτζιος Ευάγγελος, Πτυχιούχος Μηχανολόγος Μηχανικός Τεχνολογικής Εκπαίδευσης, Εκπαιδευτικός,Μηχανολογίας (Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε.) Penetration of hydrogen-based energy system and its potential for causing global environmental change: Scoping risk analysis based on life cycle thinking / Ryunosuke Kikuchi / Department of Basic Science and Environment (CERNAS), ESAC, Polytechnic Institute of Coimbra, «Καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω Κυψελών Καυσίμου Εφαρμογές»/ Σάββας Τσοτουλίδης, Διπλ. Ηλ. Μηχ/κός,Υποψήφιος Διδάκτορας, Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, Πανεπιστήμιο Πατρών/ Αθανάσιος Σαφάκας, Καθ. Δρ. - Μηχανικός, Πανεπιστήμιο Πατρών, Διευθυντής ΕργαστηρίουΗλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας

25