ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 1 ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΠΕΛΑΝΤΑΚΗΣ ΓΙΩΡΓΟΣ Χημικός Πανεπιστημίου Κρήτης, Μεταπτυχιακός (Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας) Ε.Μ.Π. Επιβλέπων Καθηγητής: ΧΑΤΖΗΑΡΓΥΡΙΟΥ ΝΙΚΟΣ, Καθηγητής Ε.Μ.Π. 1. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 1.1. Εισαγωγή Η ενεργειακή αποθήκευση μέσω της ηλεκτρόλυσης/στοιχείων καυσίμου συνδέεται με το μέσο αποθήκευσης του υδρογόνου ως το προϊόν της ενεργειακής μετατροπής σε μια συσκευή ηλεκτρόλυσης και ως το αέριο καύσιμο της παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα στοιχείο καυσίμου. Σχετικά με τη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η χωρίς εκπομπές μετατροπή και η αποθήκευση, μπορούν να περιγραφούν, κι έτσι μπορεί να γίνει μια συμβολή στα ακόμα αδιευκρίνιστα θέματα του μελλοντικού ενεργειακού εφοδιασμού: Πώς μπορεί ο ενεργειακός εφοδιασμός να εξασφαλιστεί, λαμβάνοντας υπόψη τα όλο και πιο σπάνια αποθέματα ορυκτών καυσίμων; Ποιές επιλογές ενεργειακού εφοδιασμού θα υπάρξουν, εάν οι ανθρωπογενείς εκπομπές CO 2 πρέπει να μειωθούν σημαντικά στο εγγύς μέλλον; Πώς μπορεί μια χρονικά - και αποδοτικά - σχετική απόζευξη της ενεργειακής ζήτησης και της ενεργειακής προσφοράς να επιτευχθεί; Αυτές οι προκλήσεις δεν είναι το μόνο κίνητρο για την ανάπτυξη των συστημάτων ενεργειακής αποθήκευσης με τις συσκευές της ηλεκτρόλυσης και του στοιχείου καυσίμου, επειδή ακόμη και σήμερα υπάρχει μια απαίτηση για ανεξάρτητα από καύσιμο και δίκτυο μεταφοράς, καθώς επίσης και χωρίς εκπομπές, συστήματα ενεργειακού εφοδιασμού.

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2 1.2. Περιοχή λειτουργίας των συστημάτων αποθήκευσης Τα συστήματα αποθήκευσης με το υδρογόνο, ως το μέσο αποθήκευσης, μπορούν να εφαρμοστούν οπουδήποτε η ενέργεια πρόκειται να παρασχεθεί αυτόνομα από τις ανανεώσιμες πηγές με έναν αποκεντρωμένο τρόπο ή ελλείψει της σύνδεσης με το δίκτυο κατά τη διάρκεια παρατεταμένων χρονικών περιόδων. Μια καθιερωμένη τεχνολογία, με την οποία αυτές οι απαιτήσεις μπορούν μόνο να ικανοποιηθούν μερικώς, είναι ένα σύστημα, που αποτελείται από μiα ανανεώσιμη πηγή ενέργειας συμπεριλαμβανομένης της μπαταρίας και μiα μονάδα ντιζελογεννητριών. Η κύρια διαφορά μεταξύ του ενεργειακού συστήματος με την αποθήκευση υδρογόνου και αυτού με μια μονάδα ντιζελογεννητριών, είναι η παροχή καυσίμου ντίζελ για να εξασφαλίσει τον εφοδιασμό ενός καταναλωτή με ηλεκτρική ενέργεια οποιαδήποτε στιγμή. Επιπλέον, ένα σύστημα με προσωρινή κίνηση γεννητριών μηχανών στη μονάδα των ντιζελογεννητριών, δεν είναι χωρίς εκπομπές. Η δυνατότητα του αυτόνομου, ετήσιου ενεργειακού εφοδιασμού, καθιστά το σύστημα με την αποθήκευση υδρογόνου προσελκυστικό για τις εφαρμογές, στις οποίες η σύνδεση με το δίκτυο και η παροχή καυσίμων αποτελούν εξαιρετικά υψηλές δαπάνες. Γενικά, τέτοιες εφαρμογές βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές, με δύσκολη πρόσβαση γενικά, αποκομμένες από το ενιαίο δίκτυο μεταφοράς, με υψηλές εποχιακές διαφορές στην παραγωγή από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι η θέση της εφαρμογής χαρακτηρίζεται από την ανάγκη για παροχή μεγάλων ποσοτήτων καυσίμων, με υψηλό συγκεκριμένο κόστος μεταφορών για τα καύσιμα. Ανεξάρτητα από την κατάσταση δαπανών, ένα σύστημα ηλεκτρόλυσης/υδρογόνου/στοιχείου καυσίμου προσφέρει τη δυνατότητα να εφοδιάσει έναν καταναλωτή, που υπόκειται στους συγκεκριμένους όρους ελέγχου του ορίου της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, με ηλεκτρική ενέργεια χωρίς επιβλαβή απελευθέρωση καυσαερίου. Αυτό μπορεί να είναι αποφασιστικής σημασίας για τις περιοχές με μόνιμη αιθαλομίχλη και στις εφαρμογές για τη μέτρηση των κλιματολογικών αλλαγών. Ένα άλλο πεδίο εφαρμογής του συστήματος ενεργειακής αποθήκευσης με βάση το υδρογόνο, που προκύπτει από την αυξανόμενη χρήση της αιολικής ενέργειας και τη διείσδυσή της στο δίκτυο, είναι ο συνδεμένος με το δίκτυο ενδιάμεσος σταθμός αποθήκευσης της ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, είναι σημαντικό ότι σε ένα περιστατικό μιας υπερτροφοδοσίας σε ενέργεια, στους κόμβους του δικτύου, με προσωρινή διείσδυση των

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 3 υψηλών αιολικών δυναμικών, αυτή η περίσσεια της ενέργειας, αποθηκεύεται αποδοτικά χωρίς οποιαδήποτε καθυστέρηση και τροφοδοτείται στο δίκτυο πάλι σε περίοδο πιθανής ανεπάρκειας της τροφοδοσίας. Αυτό καθιστά δυνατό να λειτουργήσει ένα σταθερό δίκτυο, διατηρώντας επίσης το μέγιστο εφοδιασμό φορτίου βάσης. Τα συστήματα ενεργειακής αποθήκευσης με παραγωγή του υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια, έχουν ερευνηθεί και έχουν λειτουργήσει ανά τον κόσμο με διαφορετικούς στόχους. Ο Πίνακας 1.1 παρέχει μια επισκόπηση των προγραμμάτων, με τα ειδικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα και τα στοιχεία των επιδόσεών τους. Πρώτα απ όλα, ο στόχος είναι να εξεταστεί και να καταδειχθεί η λειτουργία των εναλλακτικών συστημάτων εφοδιασμού της ενέργειας στη μεγάλη τεχνική κλίμακα (SWB, HYSOLAR), καθώς έχουν κατασκευασθεί πλήρη συστήματα για να υπηρετήσουν ειδικές εφαρμογές (PHOEBUS, σπίτι ηλιακής ενέργειας, Schatz, Helsinki). Οι σχεδιασμοί για τα αυτόνομα ενεργειακά συστήματα με την αποθήκευση υδρογόνου, που πραγματοποιούνται στo πλαίσιo των θεωρητικών μελετών, υποθέτουν ότι καμία περίσσεια σε ενέργεια δεν χάνεται και ότι η δεξαμενή αποθήκευσης του υδρογόνου είναι κατά το ίδιο σημείο γεμάτη, στο τέλος και στην αρχή του έτους ενός σεναρίου. Εντούτοις, οι διαφορετικές διαμορφώσεις συστημάτων, μπορούν μόνο να αξιολογηθούν ρεαλιστικά, με μια προσέγγιση ενός σχεδιασμού που εξετάζει τη λειτουργία των εγκαταστάσεων κατά τη διάρκεια πολλών ετών και περιλαμβάνει τις δαπάνες ως ποιοτική συνάρτηση. 1.3. Τεχνολογία ενεργειακής αποθήκευσης Η βασική περίπτωση της διαμόρφωσης του συστήματος της ενεργειακής αποθήκευσης μέσω της ηλεκτρόλυσης, της δεξαμενής αερίου και του στοιχείου καυσίμου αποτελείται από την παραγωγή του ηλεκτρισμού, τη βραχυπρόθεσμη αποθήκευση και την πρόσδοση του ηλεκτρικού ρεύματος. Ένα αυτόνομο σύστημα ενεργειακού εφοδιασμού φαίνεται στο Σχήμα 1.1. Η διαμόρφωση καθορίζεται από μια μπάρα τροφοδότησης συνεχούς ρεύματος (d.c.) με την οποία όλα τα συστατικά συνδέονται άμεσα ή μέσω των προσαρμοσμένων ηλεκτρονικών ισχύος. Η γεννήτρια, που αποτελείται από μια μονάδα φωτοβολταϊκών (PV) ή ένα μετατροπέα αιολικής ενέργειας (WEC Wind Energy Converter) ή ένα υβριδικό

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 σύστημα (PV-WEC), παράγει την ενέργεια και για την άμεση κατανάλωση και για την αποθήκευση. Η βραχυπρόθεσμη αποθήκευση σε κλίμακα από ώρες μέχρι και μερικές ημέρες, επιτυγχάνεται μέσω μιας μπαταρίας, που αναλαμβάνει επίσης τη λειτουργία της αποδοτικής και αυθόρμητης απόζευξης της ενεργειακής ζήτησης και της ενεργειακής προσφοράς. Η μακροπρόθεσμη αποθήκευση αντισταθμίζει τις εποχιακές διαφορές μεταξύ της ηλεκτρικής παραγωγής και της κατανάλωσης, ή χρησιμεύει ως η ενδιάμεση προσωρινή αποθήκευση για τα μεγάλα ποσά του πλεονάσματος της ηλεκτρικής ενέργειας. Αποτελείται από μια συσκευή ηλεκτρόλυσης, που τροφοδοτεί το υδρογόνο και το οξυγόνο στις δεξαμενές προσωρινής αποθήκευσης μετά από την ξήρανση και τον καταλυτικό καθαρισμό των αερίων, δύο συμπιεστές, δύο δεξαμενές υψηλής πίεσης για την αποθήκευση σε υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, καθώς επίσης και ένα στοιχείο καυσίμου για την επαναμετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια. Η πρόσδοση του ρεύματος επιτυγχάνεται γενικά σε έναν καταναλωτή ή στο δίκτυο, μέσω ενός αναστροφέα, που συνδέεται με την μπάρα τροφοδότησης συνεχούς ρεύματος. Ένα κεντρικό σύστημα διαχείρισης της ενέργειας χρησιμεύει για να ελέγξει όλες τις ενεργειακές ροές και τις καταστάσεις της φόρτισης των συστημάτων αποθήκευσης. Προκαθορίζει τις απαιτήσεις ισχύος για το στοιχείο καυσίμου και την ηλεκτρόλυση. Η κύρια παράμετρος ελέγχου είναι η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας. Εάν το σημείο φόρτισης της μπαταρίας πέφτει κάτω από ένα κατώτερο όριο σε περιόδους χαμηλής παραγωγής, το στοιχείο καυσίμου χρησιμοποιείται για να παρέχει τον καταναλωτή. Εάν το σημείο φόρτισης της μπαταρίας υπερβεί ένα ανώτερο όριο σε περιόδους υψηλής παραγωγής, το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για να παράγει υδρογόνο και οξυγόνο μέσω της συσκευής ηλεκτρόλυσης. Η παραγωγή υδρογόνου έτσι δεν εξαρτάται μόνο από την κατάσταση της παραγωγής, αλλά και από την καταναλωτική συμπεριφορά και τις παραμέτρους ρύθμισης της διαχείρισης της ενέργειας του πλήρους συστήματος. Το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας βελτιστοποιείται, έτσι ώστε η υψηλή αποδοτικότητα του συστήματος και μια μεγάλη διάρκεια ζωής για τα ηλεκτροχημικά συστατικά να επιτυγχάνεται.

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 5 Πίνακας 1.1: Ερευνητικά έργα που αφορούν στα συστήματα ενεργειακής αποθήκευσης. PHOEBUS Julich Autonomous solar-energy house, Freiburg Solar- Wasserstoff- Bayern (SWB); Neunburg vorm Wald µ, µ PV 1 µ, µ PV µ PV unit: 42 kw P Electrolyzer: 26 kw; 7 bar Fuel cell: 5.6 kw Energy production: 15 MWh el /a Peak load: 15 kw PV unit: 4.2 kw P Electrolyzer: 2 kw Fuel cell: 0.5 kw Energy production: 1.8 MWh el /a; 0.9 MWh th /a PV unit: 365 kw P Electrolyzer: 111 kw; 80bar; 100 kw; l.5bar; 100 kw; 32 bar SAPHYS, Rome, Italy, µ PV unit: 5.6 kw P Electrolyzer: 5 kw; 20 bar Fuel cell: 3 kw HYSOLAR, Germany, Saudi Arabia R&D 2 Two systems of coupled PV-electrolyzer unit: 350 kw, 10 kw Schatz Solar Hydrogen Project, Arcata, USA µ µ PV PV unit: 9.2 kw P Electrolyzer: 5.8 kw Fuel cell: 0.6 kw Compact, seasonal energy storage, Helsinki, Finland µ µ µ, µ Electrolyzer: 30 W Fuel cell: 100 W Σχήμα 1.1: Σχηματική διάταξη ενός συστήματος με ενεργειακή αποθήκευση. 1 PhotoVoltaic: Φωτοβολταϊκό 2 Research & Development: Έρευνα & Ανάπτυξη

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 1.4. Τεχνολογία του συστήματος ηλεκτρόλυσης/στοιχείου καυσίμου 1.4.1. Εισαγωγικές παρατηρήσεις Σύμφωνα με την ταξινόμηση των διαφορετικών μορφών τεχνολογιών ενεργειακής αποθήκευσης, η πορεία αποθήκευσης μέσω της ηλεκτρόλυσης/στοιχείων καυσίμου ανήκει στην ομάδα τεχνολογιών αποθήκευσης, που βασίζονται αποκλειστικά σε (ηλεκτρο)χημικές μεθόδους. Η διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο και ο εξολοκλήρου ανασυνδυασμός των αερίων σε ένα στοιχείο καυσίμου είναι ένα σημαντικό παράδειγμα της αποθήκευσης με τη μορφή χημικών ουσιών μετά από ηλεκτροχημική μετατροπή. Η ηλεκτρόλυση νερού είναι μια εμπορικά αποδεδειγμένη μέθοδος για τη συνεχή παραγωγή του υδρογόνου μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική. Σε αντίθεση με αυτό, ένα στοιχείο καυσίμου είναι ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο, που μπορεί να μετατρέπει συνεχώς τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ιδέα της σύνδεσης και των δύο συστημάτων με μια λειτουργική μονάδα είναι πολύ παλαιά. Ο Grove ηλεκτρόλυσε το νερό και χρησιμοποίησε τα παραγόμενα αέρια για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η ηλεκτρόλυση του νερού έχει αναπτυχθεί από τότε σε μια βιομηχανική διαδικασία, και είναι στην πραγματικότητα η παλαιότερη γνωστή ηλεκτροχημική τεχνολογία. Έχει προταθεί ως χρήσιμος βιομηχανικός τρόπος της παραγωγής υδρογόνου και οξυγόνου. Τα στοιχεία καυσίμου, αντίθετα, παρά τη μακρόχρονη ιστορία τους και την ανάπτυξή τους κατά τη διάρκεια των προηγούμενων σαράντα ετών, έχουν δοκιμάσει πολύ λίγες εφαρμογές μέχρι τώρα. Η σημαντικότερη είναι η χρήση τους ως ηλεκτρική πηγή ενέργειας για το επανδρωμένο διαστημικό σκάφος των προγραμμάτων των διαστημικών δρομολογίων της NASA. Αυτή την περίοδο, προγραμματίζονται για να εξυπηρετήσουν εφαρμογές, όπως για την ηλεκτρική προώθηση οχημάτων, τις μακρινές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, τη συμπαραγωγή, τη χρησιμοποίηση βιομηχανικών αποβλήτων, την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος έκτακτης ανάγκης ή για στρατιωτικούς λόγους. Υπάρχουν δύο πιθανοί τρόποι λειτουργίας των στοιχείων καυσίμου: αρχικά, χρησιμοποιώντας τα καύσιμα που περιέχουν άνθρακα και εν συνεχεία χρησιμοποιώντας καθαρό υδρογόνο. Η σημαντικότερη διαφορά μεταξύ ενός στοιχείου καυσίμου, που λειτουργεί με καύσιμο, όπως το φυσικό αέριο και ενός που

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 7 λειτουργεί με υδρογόνο, είναι ότι με το τελευταίο δεν απαιτείται καμία επεξεργασία του καυσίμου. Σε ένα σύστημα στοιχείου καυσίμου, που λειτουργεί με υδρογόνο, όπως στην αμφίδρομη περίπτωση ηλεκτρολυτικού-στοιχείου καυσίμου, η μονάδα του στοιχείου καυσίμου φαίνεται να είναι ανέξοδη έναντι ενός άλλου, που είναι βασισμένο στο φυσικό αέριο. Μόνο η ίδια η δέσμη στοιχείων και ένα σύστημα ανατροφοδότησης για την ψύξη και την απομάκρυνση του νερού είναι απαραίτητα. Αυτός είναι, επίσης, ο τύπος στοιχείου καυσίμου, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σκοπό των υβριδικών συστημάτων ηλεκτρόλυσης/στοιχείου καυσίμου. 1.4.2. Ηλεκτρόλυση του νερού Γενικά, το ηλεκτρoλυτικό στοιχείο του νερού αποτελείται από δύο ηλεκτρικά αγώγιμα ηλεκτρόδια, που βρίσκονται σε επαφή με τον ιοντικά αγώγιμο ηλεκτρολύτη. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα περνά διαμέσου του στοιχείου, που περιέχει το νερό, τα μόρια του νερού χωρίζονται σε υδρογόνο και οξυγόνο σύμφωνα με τη γενική εξίσωση: (1.1) (1.1) Το νερό είναι ένας φτωχός ιοντικός αγωγός και για µ αυτό το λόγο ένας αγώγιμος ηλεκτρολύτης πρέπει να είναι παρών είτε ως πρόσθετος στο νερό με τη μορφή διαλύματος, µ µ µ,, είτε µ ως στερεάς κατάστασης ηλεκτρολύτης, µ έτσι ώστε η αντίδραση διάσπασης του νερού. µ. προς, τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται να μπορεί µ να (1.1) προχωρήσει στις τεχνικά αποδεκτές τιμές. της τάσης και της πυκνότητας ρεύματος του (1) στοιχείου. Ο ηλεκτρολύτης δεν µ µ, ( ) µ ), υποβάλλεται σε καμία µ αλλαγή µ κατά µ τη µ διάρκεια µ, της ηλεκτρόλυσης. Οι αλκαλικοί, καθώς,, µ (1). και µ οι όξινοι ηλεκτρολύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν µ στην ηλεκτρόλυση του νερού. µ. Η αντίδραση της διάσπασης του νερού (1) µ είναι το άθροισμα δύο μερικών ηλεκτροχημικών αντιδράσεων,. της ανόδου (προαγωγή οξυγόνου) και (1) της καθόδου (προαγωγή υδρο-., µ µ µ, ( ) (1.2) γόνου), οι οποίες μπορούν να πραγματοποιηθούν σε ένα αλκαλικό ή όξινο μέσο. Σε κάθε ), µ µ, περίπτωση, µ το άθροισμα που καταλήγει στην (1) αντίδραση. (1) είναι το ίδιο. (1.3) Αλκαλικό μέσο: (1.2) µ, (1.3), µ (1.2),,. µ 1.2. (1.3) (1.2)

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 8 Όξινο μέσο: (1.3) Η εξίσωση (1.2) δίνει τις βασικές αντιδράσεις ηλεκτροδίων στη βιομηχανική αλκαλική ηλεκτρόλυση του νερού, ενώ η εξίσωση (1.3) περιγράφει τις αντιδράσεις ηλεκτροδίων σε ένα όξινο μέσο. Στο αλκαλικό στοιχείο, το ιοντικό ρεύμα δίνεται από τη ροή των ιόντων υδροξυλίου από την κάθοδο προς στην άνοδο, και σε ένα όξινο στοιχείο, από τη ροή των πρωτονίων από την άνοδο προς στην κάθοδο. Και οι δύο περιπτώσεις παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2: Σχηματική αναπαράσταση της ηλεκτρόλυσης του νερού. (α) Αλκαλικός ηλεκτρολύτης (β) όξινος ηλεκτρολύτης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2, τα κύρια συστατικά του ηλεκτρολυτικού στοιχείου είναι η άνοδος, η κάθοδος και το διαχωριστικό (διάφραγμα). Και τα δύο ηλεκτρόδια πρέπει να είναι ανθεκτικά στη διάβρωση από τον ηλεκτρολύτη στα αντίστοιχα δυναμικά, να έχουν καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και μια δομική ακεραιότητα. Τα ηλεκτρόδια θα πρέπει να καταλύουν την ηλεκτροχημική παραγωγή των αερίων (υδρογόνο και οξυγόνο) όσο το δυνατόν αποτελεσματικότερα. Στο όξινο μέσο, οι βασικές αντιδράσεις (εξίσωση 1.3) προτείνουν ένα μόριο ύδατος ανά πρωτόνιο ως τη διεργασία μεταφοράς του νερού στο

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 9 στοιχείο. Εντούτοις, το πλήρες περίβλημα υδάτωσης του πρωτονίου αποτελείται από περισσότερα εμπλεκόμενα μόρια ύδατος. Εάν, παραδείγματος χάριν, η μεμβράνη Nafion χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης, οι μετρήσεις του ηλεκτροοσμωτικού συντελεστή έλξης n d, δείχνουν ότι η μεταφορά του νερού εξαρτάται ισχυρά από τη θερμοκρασία. Αυτή η εξάρτηση μπορεί να εκφραστεί ως: (1.4) Η εκτίμηση της κατανάλωσης ενέργειας της ηλεκτρόλυσης του νερού βασισμένη στη θερμοδυναμική ανάλυση, αρχίζει συνήθως με την επεξεργασία της εξίσωσης Gibbs- Helmholtz της αντίδρασης του διαχωρισμού του νερού προς τα συστατικά του (1.1). Σύμφωνα με τον LeRoy, μια πιο ρεαλιστική εξάρτηση, λαμβάνει υπόψη τις ιδιότητες του αντιδρώντος (νερό) και των προϊόντων (υδρογόνο, οξυγόνο, υδρατμός) υπό τις κατάλληλες συνθήκες λειτουργίας της συσκευής ηλεκτρόλυσης. Στην περίπτωση αυτή, η σχετική αντιστρεπτή τάση μπορεί να εκφραστεί ως: (1.5) όπου p w είναι η μερική πίεση του υδρατμού και p 0 w είναι η πίεση του υδρατμού υπό κανονικές συνθήκες. Η τάση (U 0 rev,t σε V) που αντιστοιχεί στην πρότυπη γραμμομοριακή ενέργεια Gibbs ΔG 0, η οποία περιλαμβάνεται στην εξίσωση (1.5), δίνεται από τον f,t τύπο: (1.6) Για την εκτίμηση της κατανάλωσης ενέργειας και της παραγωγής της θερμότητας κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης του νερού, εκτός από την αντιστρεπτή τάση, η γνώση της θερμοουδέτερης τάσης U tn (ενθαλπική τάση U ), καθώς και της τάσης της ανώτερης ΔH θερμογόνου δύναμης (U HHV ) είναι επίσης απαραίτητη. Αυτές οι τάσεις καθορίζονται από την εξίσωση (1.7): (1.7) Η εξάρτηση από τη θερμοκρασία των αντίστοιχων πρότυπων τάσεων δίνεται από την

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 10 εξίσωση (1.8): (1.8) Σύμφωνα με τους ορισμούς που παρουσιάζονται, η τάση της ανώτερης θερμογόνου δύναμης αντιπροσωπεύει το ενθαλπικό περιεχόμενο των προϊόντων αερίων στη θερμοκρασία της ηλεκτρόλυσης, με το νερό να βρίσκεται σε πρότυπες συνθήκες (298 Κ). Η διαφορά δυναμικού U HHV,T U ΔH επομένως, αντιπροσωπεύει το ενεργειακό ισοδύναμο τάσης, που είναι απαραίτητο, ώστε να θερμάνει 1 mol του νερού τροφοδοσίας, από 298 Κ στη θερμοκρασία λειτουργίας. Τώρα, με την U obs να είναι η παρατηρηθείσα τάση στοιχείου, η ενεργειακή απόδοση η EL της συσκευής ηλεκτρόλυσης μπορεί να καθοριστεί από την εξίσωση (1.9): (1.9) Η παρατηρηθείσα τάση στοιχείου, γραμμένη τώρα ως U cell, είναι προφανώς υψηλότερη από αυτή που δίνεται μόνο από τις θερμοδυναμικές τιμές. Η πραγματική τάση στοιχείου πρέπει να υπερνικήσει την ηλεκτρική αντίσταση στα ηλεκτρόδια, στον ηλεκτρολύτη μεταξύ των ηλεκτροδίων και στο διάφραγμα, στην περίπτωση της αλκαλικής ηλεκτρόλυσης. Επιπλέον, υπάρχουν τα διαφορετικά είδη υπερδυναμικών, τα οποία καθορίζονται είτε από φαινόμενα κινητικής είτε από φαινόμενα μεταφοράς μάζας. Η πραγματική τάση του στοιχείου, δίνεται τότε από τη σχέση: (1.10) όπου η a, η c είναι τα υπερδυναμικά στην άνοδο και στην κάθοδο, j είναι η πυκνότητα ρεύματος και R Σ το άθροισμα των ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων επιφάνειας μέσα στη συσκευή ηλεκτρόλυσης. Η ηλεκτρική αντίσταση καθορίζεται από το υλικό των ηλεκτροδίων και των διαχωριστικών, το σχήμα του στοιχείου, καθώς επίσης και από τα φυσικά μεγέθη και τις φυσικές ιδιότητες της ηλεκτρόλυσης (έκταση της υδάτωσης, σχηματισμός φυσαλίδων, ροή του ηλεκτρολύτη, θερμοκρασία, κ.λπ.). Μια πολύ σημαντική ιδιότητα

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 11 είναι, επίσης, η ενεργοποίηση των ηλεκτροδίων, η οποία καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τα υπερδυναμικά. Για παράδειγμα, οι πραγματικές τιμές των ειδικών αντιστάσεων μιας ηλεκτρολυτικής συσκευής της Norsk Hydro δίνονται στον Πίνακα 1.2 (ηλεκτρολύτης 25% KOH, 80 C, 1bar). Πίνακας 1.2: Ωμικές αντιστάσεις και τάσεις στοιχείου σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο ύδατος. µ µ (j = 0.2 A cm -2 ) µ ( + ) (j = 0.2 A cm -2 ) 1.11 cm 2 0.22V 0.32V, U rev 1.19V, U cell (j = 0.2 A cm -2 ) 1.73V 1.4.3. Αλκαλική ηλεκτρόλυση ύδατος Στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις η χρήση ενός αλκαλικού μέσου έχει προτιμηθεί μέχρι τώρα, κυρίως για το λόγο ότι το κόστος επένδυσης είναι χαμηλότερο και τα προβλήματα διάβρωσης είναι μικρότερα. Οι μονάδες αλκαλικής ηλεκτρόλυσης αποτελούνται από πολλά στοιχεία ή ζεύγη ηλεκτροδίων. Το μοναδιαίο στοιχείο αποτελείται από το πλαίσιο του στοιχείου, τον ανοδικό και καθοδικό θάλαμο, που περιβάλλεται συνήθως από τα διπολικά τοιχώματα του στοιχείου, και το διάφραγμα που χωρίζει τα παραγόμενα αέρια, το υδρογόνο και το οξυγόνο, το ένα από το άλλο. Σαν διαχωριστικό έχει προταθεί πρόσφατα ένα διάφραγμα ανθεκτικό στα ιόντα υδροξυλίου, φτιαγμένο από το συνθετικό πολυμερές υλικό Zirfon,. Προκειμένου να μειωθεί η εσωτερική αντίσταση του στοιχείου, υιοθετείται σήμερα από την πλειοψηφία των κατασκευαστών των ηλεκτρολυτικών στοιχείων η διαμόρφωση μηδενικού διάκενου. Σε αυτή τη διαμόρφωση, τα υλικά των ηλεκτροδίων (πορώδη μέταλλα, εκτεταμένα φύλλα μετάλλων, διάτρητες πλάκες) πιέζονται από κάθε πλευρά του διαφράγματος, έτσι ώστε τα προϊόντα αέρια να αναγκάζονται να αφήσουν τα ηλεκτρόδια ως φυσαλίδες στην αντίθετη πλευρά, μακριά από το διαχωριστικό. Έτσι, δεν εμπλέκονται στη μετάβαση του ρεύματος διαμέσου του ηλεκτρολύτη μεταξύ των ηλεκτροδίων. Σε γενικές γραμμές, η αναλογία όγκου αερίου/ηλεκτρολύτη, πρέπει να είναι χαμηλή. Το πλαίσιο του στοιχείου καθώς και τα ηλεκτρόδια φτιάχνονται από χάλυβα, που

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 12 επιμεταλλώνεται με νικέλιο. Τα ηλεκτρόδια ενεργοποιούνται με ένα κατάλληλο επίστρωμα για να χαμηλώσουν τα υπερδυναμικά. Τα βασικά συστατικά ενός τυπικού, διπολικού, αλκαλικού ηλεκτρολυτικού στοιχείου, παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.3. Σχήμα 1.3: Εκτεταμένη όψη ενός ηλεκτρολυτικού στοιχείου. Γενικά, το διάλυμα KOH είναι το αλκαλικό συστατικό που χρησιμοποιείται πιο συχνά, λόγω της καλής αγωγιμότητας του. Η συγκέντρωση του υδροξειδίου μπορεί να είναι μεταξύ 25 και 30 wt%. Για λόγους διάβρωσης, η θερμοκρασία λειτουργίας πρέπει να είναι χαμηλότερη από 100 C, συνήθως περίπου στους 80 C. Η πίεση λειτουργίας στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις μπορεί να ποικίλει από 1 έως 30 bar. Για μερικές ειδικές περιπτώσεις, όπως τα υβριδικά συστήματα ηλεκτρόλυσης/στοιχείων καυσίμου, η πίεση λειτουργίας ίσως θα ήταν προτιμότερο να είναι 100 bar, έτσι ώστε να αποφεύγεται το πρόσθετο έργο συμπίεσης. Μια φωτογραφία ενός τέτοιου συστήματος υψηλής πίεσης που έχει αναπτυχθεί από το Forschungszentrum Julich, φαίνεται στο Σχήμα 1.4. 1.4.4. Ηλεκτρόλυση ύδατος μέσω ηλεκτρολυτών πολυμερικής μεμβράνης (PEM Polymer Electrolyte Membrane) Στην πράξη τα διαλύματα οξέος δεν χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρόλυση του νερού. Αντί αυτού, οι όξινες μεμβράνες έχουν εισαχθεί ως ηλεκτρολύτες, έτσι ώστε να εφαρμόζεται η όξινη ηλεκτρόλυση στα στοιχεία μεμβράνης. Η αρχική πρότυπη τεχνολογία της

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 13 συσκευής ηλεκτρόλυσης SPE Solid Polymer Electrolyte, προέρχεται από το έργο της General Electric πάνω στα στοιχεία καυσίμου. Στα στοιχεία αυτά, ένας ηλεκτρολύτης πολυμερούς μεμβράνης, κυρίως Nafion, είναι το βασικό συστατικό της ηλεκτρολυτικής συσκευής. Οι καταλύτες και οι συλλέκτες του ρεύματος, που βρίσκονται σε επαφή με τη μεμβράνη, πρέπει να είναι ανθεκτικοί στα οξέα. Ο λευκόχρυσος χρησιμοποιείται ως καταλύτης στην πλευρά της καθόδου και το ιρίδιο ή κράματά του στην πλευρά της ανόδου. Λόγω της παραγωγής αερίου στην άνοδο, το ηλεκτρόδιο του οξυγόνου πρέπει να είναι ανθεκτικότερο από το ηλεκτρόδιο του οξυγόνου στο στοιχείο καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEFC), δηλαδή, ο άνθρακας δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως το υλικό του ηλεκτροδίου, και οι συλλέκτες του ρεύματος φτιάχνονται από τιτάνιο, ταντάλιο ή νιόβιο. Η επιλογή εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την πίεση και την πυκνότητα ρεύματος. Αναλογικά, μόνο ένα φθοριομένο πολυμερές μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διαχωριστικό, και η αντικατάστασή του από άλλα πολυμερή είναι ανεπιθύμητη, δεδομένου ότι τα προβλήματα σταθερότητας είναι κυρίαρχης σημασίας, και περιοριστικά όταν αξιολογούνται οι φθηνότερες εναλλακτικές λύσεις της Nafion. Πειραματικά αποτελέσματα της τεχνολογίας ηλεκτρόλυσης SPE, με τα νεότερα ανεπτυγμένα είδη μεμβρανών (PBI, πολυμερή άλατος ή εστέρα σουλφονικού οξέος, κ.λπ.) πρέπει να αναμένονται.

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 14 Σχήμα 1.4: Μονάδα αλκαλικής ηλεκτρόλυσης υψηλής πίεσης από το Forschungszentrum Julich. Λόγω του στερεού ηλεκτρολύτη, μόνο υψηλής καθαρότητας νερό κυκλοφορεί διαμέσου του στοιχείου. Από αυτή την άποψη, η τεχνολογία ηλεκτρόλυσης SPE είναι απλούστερη από την αντίστοιχη αλκαλική. Το στοιχείο SPE μπορεί να λειτουργήσει μέσα σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, μέχρι τους 150 C και σε υψηλές πιέσεις, μέχρι 200 atm. Τα στοιχεία έχουν την ικανότητα να λειτουργούν σε αρκετά υψηλότερες πυκνότητες ρεύματος απ ό,τι τα αλκαλικά στοιχεία. Έχουν, όμως, σοβαρά προβλήματα όσον αφορά στα υλικά και τα κόστη, που είναι ακόμα απαγορευτικά όσον αφορά στην πρακτική εφαρμογή της ηλεκτρόλυσης SPE. Η πρότυπη τεχνολογία SPE έχει χρησιμοποιηθεί, επίσης, από την εταιρία Brown Boveri για την ανάπτυξη του ηλεκτρολυτικού στοιχείου ύδατος MEMBREL. Πρόσφατα, το στοιχείο MEMBREL έχει προσαρμοστεί για την ανοδική παραγωγή του όζοντος, in situ, με ανόδους από PbO 2 σε ηλεκτρολύτες, που δεν περιέχουν νερό. Το βασικό σχεδιάγραμμα του ηλεκτρολυτικού στοιχείου δίνεται στο Σχήμα 1.5. 1.4.5. Στοιχεία καυσίμου Ένα στοιχείο καυσίμου είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή, που μπορεί συνεχόμενα να μετατρέπει τη χημική ενέργεια ενός καυσίμου - ειδικότερα του υδρογόνου - σε ηλεκτρική. Εάν θεωρήσουμε την εξίσωση (1.1) ως την αντίδραση ηλεκτρόλυσης του νερού, που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια του αέριου υδρογόνου, η αντίστροφη αντίδραση, που πραγματοποιείται σε ένα στοιχείο καυσίμου θα μπορούσε να γραφτεί ως: (1.11) Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις (2) και (3) και οι θερμοδυναμικές σχέσεις (5)-(8) ισχύουν αντίστοιχα. Μπορούμε, επίσης, να καθορίσουμε την ενεργειακή απόδοση του στοιχείου καυσίμου η FC ως: (1.12) Ανάλογα, η πραγματική τάση του στοιχείου μπορεί να δοθεί κατ αρχήν από τη σχέση: (1.13) Σε αντίθεση όμως με την ηλεκτρόλυση του νερού, η τάση στα άκρα του στοιχείου

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 15 ενός στοιχείου καυσίμου, είναι πιο ευαίσθητη στην αναστρεψιμότητα της αντίδρασης του οξυγόνου στις χαμηλές πυκνότητες ρεύματος και με πολλούς περιορισμούς από τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας στις υψηλές πυκνότητες ρεύματος, έτσι ώστε η καμπύλη τάσης του στοιχείου, να εκφράζεται συνήθως ως προσαρμοσμένη καμπύλη, υπό τη μορφή: (1.14) Η εξίσωση (1.14) είναι αρκετά πιο σύνθετη από την εξίσωση (1.13). Οι παράμετροι στην εξίσωση (1.14) καθορίζονται μερικώς από τους όρους Tafel της αντίδρασης του οξυγόνου (πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής j 0, κλίση Tafel b), και μερικώς από τις μαθηματικές και στατιστικές εκτιμήσεις της καμπύλης ρεύματος-τάσης (α, k, β). Σχήμα 1.5: Σχέδιο ενός όξινου ηλεκτρολυτικού στοιχείου μεμβράνης. Στην περίπτωση της τεχνολογίας του ενσωματωμένου συστήματος στοιχείου καυσίμου/ ηλεκτρόλυσης, που απαιτεί τα στοιχεία καυσίμου H 2 /Ο 2, δύο τύποι στοιχείων για τις εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να ληφθούν υπόψη: το αλκαλικό στοιχείο καυσίμου (AFC Alkaline Fuel Cell) και το στοιχείο καυσίμου πολυμερούς ηλεκτρολύτη (H 2 /PEFC Polymer Electrolyte Fuel Cell). Στο AFC, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα (35-50 wt%) υδροξειδίου του καλίου, το οποίο είναι ένας καλός αγωγός ιόντων OH -. Δεδομένου ότι η κινητική της αναγωγής του οξυγόνου είναι ταχύτερη στους αλκαλικούς ηλεκτρολύτες απ ό,τι στους όξινους, το στοιχείο αυτό μπορεί να επιτύχει υψηλότερη τάση στοιχείου και συνεπώς υψηλότερη ενεργειακή απόδοση από το όξινο στοιχείο. Επι-

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 16 πλέον, η χρήση μη ευγενών μετάλλων στους ηλεκτροκαταλύτες, είναι εφικτή στα AFCs. Ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτού του τύπου των στοιχείων, είναι ότι γενικά τα AFCs είναι περιορισμένα στις εξειδικευμένες εφαρμογές, όπου το CO 2 είναι απόν και το καθαρό H 2 και το Ο 2 αξιοποιούνται. Στην περίπτωση της τεχνολογίας της ενεργειακής αποθήκευσης που βασίζεται στο συνδυασμό στοιχείων καυσίμου και ηλεκτρόλυσης, αυτός ο περιορισμός δεν απαιτείται και το AFC, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σκοπό αυτό. Στο PEFC, ο ηλεκτρολύτης είναι μια μεμβράνη ιονικής ανταλλαγής (φθοριομένο πολυμερές σώμα σουλφονικού οξέος ή, πιο πρόσφατα, λιγότερο ακριβά πολυμερή σώματα), η οποία είναι ένας καλός αγωγός πρωτονίων. Το μόνο υγρό σε αυτό το στοιχείο είναι το νερό, κατά συνέπεια τα προβλήματα διάβρωσης του ηλεκτρολύτη είναι αμελητέα, αλλά λόγω του κινδύνου του στεγνώματος της μεμβράνης, η διαχείριση του νερού του στοιχείου είναι κρίσιμη. Συνολικά, τα πλεονεκτήματα έναντι των μειονεκτημάτων των δύο στοιχείων είναι: το AFC έχει ένα διάλυμα KOH ως ηλεκτρολύτη: δεν υπάρχει κανένα ελεύθερο διαβρωτικό υγρό στο PEFC, το PEFC χρειάζεται καταλύτες ευγενών μετάλλων: το AFC μπορεί να λειτουργήσει με τα κοινά φτηνά μέταλλα, ο φθοριωμένος πολυμερής ηλεκτρολύτης στο PEFC είναι ακριβός: το διαχωριστικό του AFC είναι πολύ φτηνότερο, το στοιχείο AFC πρέπει να χειριστεί τον υγρό ηλεκτρολύτη: το στοιχείο PEFC είναι απλό να κατασκευαστεί και να λειτουργήσει, η διαχείριση του νερού και της θερμότητας είναι κρίσιμη για την αποδοτική λειτουργία του PEFC: το AFC δεν είναι τόσο ευαίσθητο από αυτή την άποψη, η ακινητοποίηση του υγρού ηλεκτρολύτη είναι απαραίτητη στο AFC για την αποδοτική λειτουργία: ο στερεός ηλεκτρολύτης στο PEFC κατέχει μια υψηλή φυσική σταθερότητα. 1.4.6. Υβριδικό σύστημα ηλεκτρόλυσης ύδατος/στοιχείου καυσίμου Δεδομένου ότι μια αντίδραση στοιχείου καυσίμου είναι η αντιστροφή αυτής της ηλεκτρόλυσης του νερού (βλ. εξίσωση (1.11)), φαίνεται πολύ απλό και φυσικό να ενσωμα-

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 17 τωθούν τα δύο στοιχεία σε μια συσκευή. Αυτά τα αντιστρεπτά ή αναγεννητικά στοιχεία καυσίμου, μπορούν να δουλέψουν κατ αρχήν με τον αλκαλικό ηλεκτρολύτη (συνδυασμός αλκαλικής ηλεκτρόλυσης και AFC) καθώς επίσης και με το στοιχείο PEM/PEFC, το οποίο λειτουργεί με ένα στερεό πολυμερή ηλεκτρολύτη. Η απαίτηση ότι τα ηλεκτρόδια υδρογόνου και οξυγόνου λειτουργούν στη διπλή κατεύθυνση, δημιουργεί ιδιαίτερα προβλήματα σταθερότητας των υλικών, κυρίως στο ηλεκτρόδιο του οξυγόνου. Τα υποψήφια προς εφαρμογή υλικά πρέπει να ικανοποιήσουν τις ακόλουθες απαιτήσεις: υψηλή αντίσταση στη χημική διάβρωση και την ηλεκτροχημική οξείδωση, υψηλή διλειτουργική, ηλεκτροκαταλυτική δραστηριότητα και καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Για το σκοπό αυτό, μικτά μεταλλικά οξείδια, κυρίως της μορφής ABO x ερευνήθηκαν, και για την αναγωγή και για την παραγωγή οξυγόνου στα αλκαλικά μέσα. Για παράδειγμα, το υλικό LaCoO 3 της κατηγορίας των perovskites αναπτύχθηκε. Επίσης, ένας καταλύτης κράματος της σύνθεσης Na x Pt 3 O 4 αναγνωρίστηκε ως ένα πολλά υποσχόμενο υλικό. Εντούτοις, οι περισσότερες προσπάθειες κατευθύνθηκαν προς τα συστήματα μεμβράνης, στοιχείου καυσίμου/όξινης ηλεκτρόλυσης. Η αναλογία της ενέργειας εξόδου προς την ενέργεια εισόδου, για αυτό τον τύπο αναγεννητικού στοιχείου καυσίμου, είναι μεταξύ 55 και 65%. Για να λυθεί το πρόβλημα σταθερότητας, που σχετίζεται με τον καταλύτη του ηλεκτροδίου του οξυγόνου, μια νέα διαμόρφωση του διλειτουργικού ηλεκτροδίου έχει αναπτυχθεί. Σε αντίθεση με τα κλασσικά ηλεκτρόδια, που περιγράφονται μέχρι τώρα, σε αυτή τη διαμόρφωση, οι αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής προσδιορίζονται για τα ηλεκτρόδια και όχι για τους καταλύτες. Κατά συνέπεια και οι αντιδράσεις της παραγωγής οξυγόνου (λειτουργία ηλεκτρόλυσης) αλλά και οι αντιδράσεις της οξείδωσης του υδρογόνου προς πρωτόνια (λειτουργία στοιχείου καυσίμου) προχωρούν εναλλακτικά στο ίδιο ηλεκτρόδιο, και οι δύο υπόλοιπες αντιδράσεις αναγωγής, όπως η παραγωγή υδρογόνου και η αναγωγή του οξυγόνου, στο άλλο ηλεκτρόδιο. Χρησιμοποιώντας αυτή τη διαμόρφωση είναι λιγότερο δύσκολο να παραχθούν τα κατάλληλα υλικά των ηλεκτροδίων και για τα δύο ηλεκτρόδια. Και για τις δύο αντιδράσεις αναγωγής, ο λευκόχρυσος είναι ο καλύτερος καταλύτης, ενώ ο καταλύτης για το ηλεκτρόδιο οξείδωσης μπορεί να επιλεχθεί βάσει της ηλεκτροχημικής δραστικότητας και για τις δύο αντιδράσεις που

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 18 πραγματοποιούνται, δηλαδή παραγωγή οξυγόνου και οξείδωση υδρογόνου. Στο ίδιο το στοιχείο, η καταλυτική δραστικότητα για την παραγωγή του οξυγόνου, είναι μια πιο κύρια ιδιότητα απ ό,τι για την οξείδωση του υδρογόνου, η οποία είναι η πιο αντιστρέψιμη αντίδραση. Για αυτό το λόγο, ο καταλύτης Ir/Ru θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί, δεδομένου ότι αυτό το κράμα έχει αναγνωριστεί ως ο καλύτερος καταλύτης για την αντίδραση της παραγωγής του οξυγόνου. 1.5. Σχεδιασμός της διαδικασίας λειτουργίας των συστημάτων αποθήκευσης μέσω ηλεκτρόλυσης/στοιχείων καυσίμου Εκτός από τα συστατικά που περιγράφονται παραπάνω για την ενεργειακή μετατροπή και την ενεργειακή αποθήκευση, η χωρίς προβλήματα λειτουργία ως εποχιακό σύστημα ενεργειακής αποθήκευσης ή ως μονάδα προσωρινής ενεργειακής αποθήκευσης συνδεδεμένη με το δίκτυο, απαιτεί την ενσωμάτωση των προσαρμοσμένων ηλεκτρονικών ισχύος, καθώς και την ενσωμάτωση ενός βελτιστοποιημένου συστήματος διαχείρισης της ενέργειας. Τα ηλεκτρονικά ισχύος εξασφαλίζουν τη σύνδεση, ανάλογα με τον τρόπο της λειτουργίας των τμημάτων ενεργειακής μετατροπής, στην τροφοδοσία της ενέργειας και στην κατανάλωση της ενέργειας. Το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας οργανώνει τη διανομή των ενεργειακών ροών ανάλογα με τις απαιτήσεις, στις διαδρομές της αποθήκευσης και της κατανάλωσης. Ένα σύστημα που ενισχύεται κατ αυτό τον τρόπο, με μια μονάδα ενεργειακής αποθήκευσης που αποτελείται από τη συσκευή ηλεκτρόλυσης, τη δεξαμενή υδρογόνου και το στοιχείο καυσίμου, μπορεί μόνο να σχεδιαστεί αποδοτικά και οικονομικά, με τη βοήθεια μιας σύνθετης διαδικασίας σχεδιασμού, η οποία βασίζεται στη δυναμική προσομοίωση του συστήματος με αξιόπιστα πρότυπα των επιμέρους συστατικών. 1.5.1. Σύστημα προετοιμασίας της ηλεκτρικής ισχύος Η μονάδα της ηλεκτρόλυσης και το στοιχείο καυσίμου, συνδέονται ηλεκτρικά με την μπάρα τροφοδότησης d.c., μέσω των προσαρμοσμένων ελεγκτών ισχύος d.c.. Εάν το επίπεδο τάσης της μπάρας τροφοδότησης d.c. και της μπαταρίας είναι πιο ψηλό από αυτό του στοιχείου καυσίμου και της μονάδας ηλεκτρόλυσης, τότε η μονάδα ηλεκτρόλυσης συνδέεται μέσω ενός μετατροπέα βύθισης και το στοιχείο καυσίμου μέσω ενός μετατροπέα ανύψωσης. Και οι δύο μετατροπείς πρέπει να είναι αρθρωτού σχεδίου, έτσι ώστε οι

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 19 μεμονωμένες υπομονάδες να μπορούν να συνδεθούν και να αποσυνδεθούν ανάλογα με τις απαιτήσεις. Αυτό παρέχει μια σχεδόν ομοιογενή αποδοτικότητα σε ολόκληρη την κλίμακα ισχύος του μετατροπέα. Λαμβάνοντας υπόψη τις εσωτερικές καταναλώσεις, η απόδοση ενός μετατροπέα βύθισης είναι της τάξης του 88-89% και ενός μετατροπέα ανύψωσης της τάξης του 90-91%. Μια απλή εναλλακτική λύση χαμηλού κόστους, της σύζευξης της μονάδας ηλεκτρόλυσης και του στοιχείου καυσίμου με το σύστημα, μέσω της μπάρας τροφοδότησης d.c., είναι η χρήση των διακοπτών με ημιαγώγιμα στοιχεία. Η προϋπόθεση για την εύρυθμη λειτουργία τους, είναι η αμοιβαία προσαρμογή των συστατικών, που συνδέονται μεταξύ τους, επιλέγοντας τον αντίστοιχο βέλτιστο αριθμό των στοιχείων. Το κριτήριο βελτιστοποίησης είναι τα ρεύματα μεταξύ των συστατικών, που δεν πρέπει να υπερβούν τις προκαθορισμένες οριακές τιμές. Μια μονάδα διακοπτών, που αντικαθιστά τον ελεγκτή ισχύος d.c., αποτελείται από ένα ή περισσότερα, υψηλής τάσης, τρανζίστορ πεδίου. Είναι ευφυείς διακόπτες ημιαγωγών, οι αποκαλούμενοι έξυπνοι διακόπτες ισχύος, οι οποίοι είναι εξοπλισμένοι με ενσωματωμένη προστασία και καθοδηγούμενα μέρη κυκλώματος. Τα μη σταθερής κατάστασης γεγονότα της λειτουργίας του στοιχείου καυσίμου και της ηλεκτρολυτικής μονάδας, αναγνωρίζονται από τον έλεγχο των μέσων τιμών του ρεύματος με τη βοήθεια της διαμόρφωσης του εύρους των παλμών. Οι συχνές διαδικασίες μεταγωγής που εμπλέκονται, είναι αβλαβείς για τους ημιαγωγικούς διακόπτες σε αντίθεση με τους μηχανικούς διακόπτες. Η σύζευξη με εναλλασσόμενο ρεύμα, συνδυάζει την υψηλή απόδοση του συστήματος με τη μεγάλη ευελιξία στην διαστασιολόγηση των συστατικών. Η ένωση με την μπάρα τροφοδότησης εναλλασσόμενου ρεύματος (a.c.), επιτυγχάνεται μέσω ενός ανορθωτή για την ηλεκτρολυτική μονάδα και μέσω ενός αναστροφέα για το στοιχείο καυσίμου. Και οι δύο αυτοί μετατροπείς χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση, 90-98%, και από ένα ευρύ φάσμα των εμπορικά διαθέσιμων μονάδων. 1.5.2. Σύστημα διαχείρισης της ενέργειας Το πιο υψηλό επίπεδο ελέγχου ενός συστήματος με ενεργειακή αποθήκευση μέσω υδρογόνου καλείται διαχείριση της ενέργειας. Παρακολουθεί όλες τις ενεργειακές ροές

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 20 και τις καταστάσεις φόρτισης της αποθήκευσης και προκαθορίζει τις απαιτήσεις σε ισχύ για το στοιχείο καυσίμου και τη μονάδα της ηλεκτρόλυσης. Αυτό εξασφαλίζει ότι τα ενεργειακά ελλείμματα καλύπτονται από το στοιχείο καυσίμου οποιαδήποτε στιγμή. Αυτό σημαίνει όμως, ότι το στοιχείο καυσίμου είναι συνεχώς σε λειτουργία, και μόνο τις ημέρες με πλούσιο δυναμικό από τις ανανεώσιμες πηγές, στην κατάσταση εφεδρείας, είναι χωρίς παραγωγή ισχύος. Η μονάδα της ηλεκτρόλυσης είναι επίσης σε λειτουργία καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Αν εκτός από την αποθήκευση υδρογόνου μια μπαταρία είναι επίσης ενσωματωμένη στο σύστημα, για τη βραχυπρόθεσμη αποθήκευση, η κύρια παράμετρος ελέγχου που χρησιμοποιείται, είναι η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας (State Of Charge SOC). Το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί για να επιτύχει την υψηλή απόδοση του συστήματος και μια μεγάλη διάρκεια ζωής των υπηρεσιών, που προσφέρουν τα ηλεκτροχημικά συστατικά. µ, µ µ, Ένα σύστημα διαχείρισης µ της ενέργειας, (State Of που Charge βελτιστοποιείται SOC). µ κατ αυτό τον τρόπο, µ µ µ προκαθορίζει τα επίπεδα ισχύος και τις καταστάσεις λειτουργίας των συστατικών, έτσι µ µ µ, µ ώστε. το πλήρες σύστημα να βρίσκεται πάντα σε ένα αξιόπιστο σημείο λειτουργίας. Η µ,, στάθμη φόρτισης (SOC), κρατιέται μέσα στα προκαθορισμένα όρια από το σύστημα διαχείρισης της µ ενέργειας, καθορίζοντας έτσι έμμεσα, τις µ καταστάσεις. λειτουργίας µ της μονά-, (SOC), µ µ µ, δας ηλεκτρόλυσης και µµ, του στοιχείου καυσίμου. Η επίδραση µ του συστήματος διαχείρισης της ενέργειας, µ. στην μπαταρία, στη µ μονάδα ηλεκτρόλυσης, στο, στοιχείο καυσίμου µ, και τη µ, µ µ δεξαμενή µ 1.7. υδρογόνου απεικονίζεται στο Σχήμα 1.5. Σχήμα 1.6: (a) Ετήσιο προφίλ της κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας. (b) Καταστάσεις λειτουργίας της ηλεκτρολυτικής μονάδας (αρνητική φόρτιση μετατροπέα) και του στοιχείου καυσίμου µµ (θετική φόρτιση μετατροπέα). (c) Πίεση µ της δεξαμενής µ H 2. 1.7( ), µ µ µ µ 30 80%. µ µ µ.,, µ. µ µ

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 21 Το σχεδιάγραμμα της κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας στο Σχήμα 1.6(α), δείχνει ότι το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας επιτρέπει μόνο τις τιμές μεταξύ 30 και 80%. Τα υψηλότερα επίπεδα φόρτισης επιδεινώνουν σημαντικά την αποδοτικότητα της μπαταρίας λόγω της εμφάνισης των απωλειών αερίων. Οι εξαντλητικές εκφορτίσεις, επίσης, μειώνουν τη διάρκεια ζωής της. Σε κάθε περίπτωση όπου οι ελάχιστες και οι μέγιστες τιμές του επιπέδου φόρτισης της μπαταρίας επιτυγχάνονται, το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας συνδέει το στοιχείο καυσίμου (30%) ή τη μονάδα της ηλεκτρόλυσης (80%). Τα σημεία αποσύνδεσης επιλέγονται εδώ, για μια προβλεπόμενη υστέρηση 5%, στο 35% για το στοιχείο καυσίμου και στο 75% για τη μονάδα ηλεκτρόλυσης. Ανάλογα με το προφίλ της παραγωγής, τα σημεία διακοπής-εναύσματος πρέπει να προσαρμοστούν, στοχεύοντας σε έναν ελάχιστο αριθμό διαδικασιών μεταγωγής του στοιχείου καυσίμου και της ηλεκτρολυτικής μονάδας. Τα όρια των διαδικασιών μεταγωγής, που εδώ κρατούνται σταθερά κατά τη διάρκεια του έτους, μπορούν να τροποποιούνται συναρτήσει του χρόνου, έτσι ώστε να βελτιστοποιήσουν τη λειτουργία. Η ηλεκτρόλυση λειτουργεί είτε σε σταθερό φορτίο (βλ. Σχήμα 1.6b), είτε στην επιτρεπόμενη κλίμακα ισχύος της, έτσι ώστε το ρεύμα της μπαταρίας να φτάνει στην τιμή μηδέν. Η ισχύς, έτσι, διακυμαίνεται σύμφωνα με το διαθέσιμο πλεόνασμα. Η ισχύς του στοιχείου καυσίμου τίθεται γενικά σε μια σταθερή τιμή (σύγκριση θετικών με αρνητικές τιμές στο Σχήμα 1.6b). Η κρίσιμη συνθήκη, που πρέπει να τηρηθεί για την επίτευξη της αυτονομίας του συστήματος, είναι ένα τουλάχιστον ίσο επίπεδο φόρτισης της δεξαμενής υδρογόνου, στο τέλος της υπό εξέταση περιόδου σε σύγκριση με το σημείο εκκίνησης. Επιπρόσθετα, η δεξαμενή δεν πρέπει ποτέ να είναι κενή. Το Σχήμα 1.6(c) δείχνει ότι η δεξαμενή καθώς επίσης και το στοιχείο καυσίμου και η μονάδα ηλεκτρόλυσης έχουν διαστασιολογηθεί βέλτιστα. Η δεξαμενή είναι γεμάτη κατά το ήμισυ στην αρχή του έτους, και αυτή η ποσότητα επαρκεί για την περίοδο λειτουργίας του στοιχείου καυσίμου, που απομένει. Κατά τη χρονική διάρκεια λειτουργίας της μονάδας ηλεκτρόλυσης, παρήχθη ακριβώς το σωστό ποσό υδρογόνου, το οποίο εξασφάλισε ότι η δεξαμενή έφθασε στη μέγιστη πίεσή της μόνο προσωρινά. Στο τέλος του έτους, επιτυγχάνεται πάλι η αρχική κατάσταση φόρτισης της δεξαμενής.

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 22 Προκειμένου να προστατευθεί η μπαταρία από τις υπερβολικά υψηλές καταστάσεις φόρτισης και τις σχετικές απώλειες λόγω της παραγωγής αερίων, ορίζονται δύο πρόσθετα όρια διακοπής επάνω από το ανώτερο όριο διακοπής για τη συνήθη λειτουργία της ηλεκτρόλυσης, που περιγράφτηκε παραπάνω. Στην περίπτωση μιας υπερβολικά υψηλής SOC, η μονάδα ηλεκτρόλυσης μεταβαίνει στην κατάσταση της πλήρους φόρτισης, έως ότου ξεπεραστεί η ρυθμισμένη υστέρηση φόρτισης της μπαταρίας. Εάν για λόγους κόστους η μονάδα ηλεκτρόλυσης δεν σχεδιάζεται για το φορτίο αιχμής των γεννητριών, το πλεόνασμα, που δημιουργείται, τροφοδοτείται στο υπάρχον δίκτυο μεταφοράς ή οι γεννήτριες ρυθμίζονται προς τα κάτω για να προστατεύσουν την μπαταρία από την πλήρη φόρτιση. Για το στοιχείο καυσίμου υπάρχουν, επίσης, δύο τρόποι λειτουργίας α) κανονικά, β) με υψηλή απόδοση στην περιοχή της μερικής φόρτισης. Εάν η SOC είναι πάρα πολύ χαμηλή, η μπαταρία προστατεύεται από την παρατεταμένη εξαντλητική εκφόρτιση, μέσω της λειτουργίας του στοιχείου καυσίμου σε πλήρη φόρτιση. Το σύστημα διαχείρισης της ενέργειας ρυθμίζει επίσης τις πιέσεις των αερίων στις ενδιάμεσες δεξαμενές προσωρινής αποθήκευσης, συνδέοντας ή αποσυνδέοντας το μηχανικό συμπιεστή. Επιπλέον, εκτελεί τις λειτουργίες παρακολούθησης και ελέγχου. 1.5.3. Ενεργειακό ισοζύγιο και απόδοση του συστήματος Η βασική διαμόρφωση, που φαίνεται στο Σχήμα 1.7, υιοθετείται, προκειμένου να αποτιμηθεί το ενεργειακό ισοζύγιο της μονάδας ενεργειακής αποθήκευσης μέσω της ηλεκτρόλυσης και του στοιχείου καυσίμου. Αυτή η υπόθεση είναι βασισμένη στα ακόλουθα χαρακτηριστικά: 1. η μπάρα τροφοδότησης d.c. επιτρέπει τη σύζευξη στην παραγωγή του ηλεκτρισμού, στη βραχυπρόθεσμη αποθήκευση και στη συλλογή του ρεύματος, 2. η μονάδα της ηλεκτρόλυσης και το στοιχείο καυσίμου συνδέονται με την μπάρα τροφοδότησης d.c., μέσω των ελεγκτών ισχύος d.c., 3. χαμηλής πίεσης ηλεκτρολυτική μονάδα με μέγιστη πίεση λειτουργίας, 7 bar, 4. οι συμπιεστές των αερίων της διεργασίας τροφοδοτούνται με ηλεκτρική ενέργεια από το σύστημα, 5. στοιχείο καυσίμου που τροφοδοτείται με οξυγόνο στην κάθοδο,

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 23 6. η αξιοποίηση της απορριπτόμενης θερμότητας του στοιχείου καυσίμου λαμβάνεται υπόψη. Σχήμα 1.7: Ενεργειακό ισοζύγιο ενός συστήματος ενεργειακής αποθήκευσης υδρογόνου. Το Σχήμα 1.7 δείχνει τη διαμόρφωση ενός συστήματος ενεργειακής αποθήκευσης υδρογόνου για τη βασική περίπτωση, με τις αποδόσεις των επιμέρους συστατικών, καθώς επίσης και τις εισερχόμενες και εξερχόμενες ενεργειακές ροές σε μονάδες ενέργειας (UE- Units of Energy). Ένα σύνολο των 90,7 από τις 100 UE περνά στο μετατροπέα βύθισης της τάσης υπό μορφή ηλεκτρικού ρεύματος d.c., για την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου. Οι συμπιεστές για το υδρογόνο και το οξυγόνο χρειάζονται 9,3 UE για να συμπιέσουν τα αέρια. Αυτό αντιστοιχεί σε μια συμβολή του 13,5% της θερμογόνου δύναμης του υδρογόνου, που συμπιέζεται. Τα δεδομένα της απόδοσης για τις δεξαμενές, αντιπροσωπεύουν τις απώλειες ενός έτος, που προκαλούνται από διαρροές. Η συγκριτικά υψηλή απόδοση του στοιχείου καυσίμου είναι συνέπεια της λειτουργίας του με H 2 /O 2. Η χρήση της απορριπτόμενης θερμότητας από το στοιχείο καυσίμου παρέχει 26,7 UE, σε μια χαμηλής θερμοκρασίας εφαρμογή. Τελικά, 32,7 από τις 100 UE, που τροφοδοτούνται κατά μέσο όρο ετησίως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπό τη μορφή συνεχούς ρεύματος. Ως εναλλακτικές μορφές της βασικής διαμόρφωσης, που συζητήθηκε παραπάνω, θεωρούνται: η ενσωμάτωση μιας ηλεκτρολυτικής μονάδας υψηλής πίεσης, η παράλειψη της αποθήκευσης και της χρήσης του οξυγόνου, καθώς επίσης και η αντικατάσταση των ελεγκτών ισχύος d.c. από τους ημιαγωγικούς διακόπτες κυκλώματος. Σε σύγκριση με τη βασική διαμόρφωση, το σύστημα με την ηλεκτρολυτική μονάδα

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 24 υψηλής πίεσης, διαφέρει από την άποψη της ενέργειας και του ελέγχου, λόγω της διαφορετικής απόδοσης της μονάδας ηλεκτρόλυσης και της παράλειψης των ενδιάμεσων δεξαμενών προσωρινής αποθήκευσης και συμπιεστών. Με μια ετήσια απόδοση λειτουργίας, 87,7%, η ετήσια παραγωγή αυξάνεται σε 36,6 UE, στην περίπτωση της τροφοδότησης 100 UE στο σύστημα ενεργειακής αποθήκευσης με τη μονάδα ηλεκτρόλυσης υψηλής πίεσης. Εάν χρησιμοποιείται ο αέρας αντί του καθαρού οξυγόνου στο στοιχείο καυσίμου, αυτό οδηγεί σε μια δραστική αύξηση των ποσοτήτων αερίου, που περνούν διαμέσου του στοιχείου. Λόγω της λειτουργίας με υπερπίεση στην πλευρά του αέρα και της απώλειας πίεσης στους διαχύτες αερίου, αυτή η αύξηση καταλήγει σε μια αξιοσημείωτη ενεργειακή απαίτηση. Επιπλέον, η απόδοση του στοιχείου καυσίμου, που επιτυγχάνεται, είναι χαμηλότερη. Ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας και τη διαμόρφωση του στοιχείου καυσίμου, πρέπει να αναμένεται μια πτώση της απόδοσης κατά 30%. Αυτό δίνει μια απόδοση, της τάξης του 38,4% του στοιχείου καυσίμου, για την καθαρή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τελικά, η μείωση των δαπανών της επένδυσης με την παράλειψη των συστατικών, που αφορούν στο οξυγόνο, βρίσκεται αντιμέτωπη με τη μείωση της ενεργειακής παραγωγής του συστήματος ενεργειακής αποθήκευσης με το στοιχείο καυσίμου H 2 /αέρας. Εάν 100 UE μεταφέρονται ετησίως στη μονάδα αποθήκευσης, το σύστημα παρέχει μόνο 22,9 ηλεκτρικές UE. Το κατά πόσο το υψηλότερο κλάσμα της παραγόμενης θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί, θα εξαρτηθεί αφ ενός από τις δαπάνες του εξοπλισμού, και αφ ετέρου από τον τρόπο λειτουργίας. Σαν μια προσέγγιση βελτιστοποίησης υπό ανάπτυξη, προτείνεται να χρησιμοποιηθούν οι νέοι, κυκλικής ρύθμισης, ηλεκτρονικοί διακόπτες κυκλώματος έξυπνοι διακόπτες ισχύος αντί των ελεγκτών ισχύος d.c., που χρησιμοποιούνται για τη σύζευξη της ηλεκτρολυτικής μονάδας και του στοιχείου καυσίμου με την μπάρα τροφοδότησης d.c.. Εκτός από τα χαμηλά κόστη επένδυσής τους, λόγω της μαζικής παραγωγής, τη χωρίς φθορές λειτουργία και την υψηλή αξιοπιστία τους, οι ημιαγωγικοί διακόπτες αποτελούμενοι από τα υψηλής τάσης τρανζίστορ πεδίου, χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση, περίπου της τάξης του 99%. Ένα σύστημα ενεργειακής αποθήκευσης με τη μονάδα ηλεκτρόλυσης - σχεδιασμένη για το επίπεδο τάσης της μπαταρίας και το αντίστοιχα προσαρμοσμένο στοιχείο καυσίμου, όπου συνδέονται

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 25 με μια μπάρα τροφοδότησης d.c., μέσω αυτών των διακοπτών - επιτυγχάνει μια ετήσια παραγωγή 39,5 UE μετά από τροφοδότηση 100 UE. 2. ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΣΤΗΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 2.1. Διαθέσιμο δυναμικό παραγωγής υδρογόνου από τις ανανεώσιμες μορφές ενέργειας Μια γενική εικόνα του παγκόσμιου δυναμικού των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας και οι προερχόμενες απ αυτό δυνατότητες παραγωγής υδρογόνου δίνονται στον Πίνακα 2.1. Κατά την παρούσα στιγμή, η παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας στο σύνολο της, είναι κοντά στις 100000 TWh year -1, και η παγκόσμια ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια είναι περίπου 15000 TWh year -1. Πίνακας 2.1: Παγκόσμιο δυναμικό της παραγωγής υδρογόνου από όλες τις ανανεώσιμες πηγές. µ µ (TWh year -1 ) µ µ (TWh year -1 ) µ (TWh year -1 ) Hydropower 22000 10000 >1000-4000 OTEC a 200000 8000 >6000-7000 Tidal power 500-1000 160-330 Wind power 500000 50000 1000-5000 Direct solar >1000000 100000 >20000 Biomass 83000 40000 Up to 20000 Total 1800000 209000 >38000-56000 a OTEC: (Ocean Thermal Energy Conversion Μετατροπή της θερμικής ενέργειας των ωκεανών). Η εικόνα των δυνατοτήτων της παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου από τις κυριότερες βιομηχανοποιημένες περιοχές (ΗΠΑ, Ευρώπη, Ασία και Ιαπωνία), παρέχεται στους Πίνακες 2.2 και 2.3. Οι αποδόσεις της μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε υδρογόνο, διαφέρουν μεταξύ η=50% [για την παραγωγή υγρού υδρογόνου (LH 2 )] και η=60% [για την παραγωγή συμπιεσμένου αέριου υδρογόνου (CGH 2 )], ανάλογα με τον τύπο και την πολυπλοκότητα των τεχνολογιών μετατροπής που εφαρμόζονται (ηλεκτρόλυση, συμπίεση, αποθήκευση, υγροποίηση, κ.λπ.). Η δυνατότητα της παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου από την Ασία και την Αυστραλασία έχει προσδιοριστεί. (απεικονίζεται στον Πίνακα 2.4). Μια πιο πρόσφατη και λεπτομερής εκτίμηση για την περιοχή της Ιαπωνίας παρουσιάζεται στον Πίνακα 2.5.

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 26 Πίνακας 2.2: Δυναμικό παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου ΗΠΑ. µ µ (TWh e year -1 ) µ µ (TWh e year -1 ) (TWh e year -1 ) µ µ (TWh-H 2 year -1 ) Hydropower 345 243.5 153,9 Ocean energy >28,7-69,8 >28,7 >0,86 >0,52 Wind energy 14000 4200 840 504 Geothermal energy 241-385 24-38,5 12-19,3 SOT energy 1200 600 300 150 PV energy conversion 22000 1100 660 Biomass 1190 thermal 120 thermal 60 Total >37470 >5174 >2508 >1540 a SOT: (Solar Thermal Θερμική Ηλιακή). Πίνακας 2.3: Ευρωπαϊκό δυναμικό παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου (εκτίμηση LBST). a µ µ (TWh e year -1 ) µ µ (TWh e year -1 ) (TWh e year -1 ) µ µ (TWh-H 2 year -1 ) Hydropower Ocean energy (Western Europe) 489 2500 470 110-290 120 33-87 60 19,8-52,2 Wind energy Offshore wind energy Onshore wind energy Geothermal energy 551-3028 125-630 2030 515 225 160 257,5 22,5 16 129 13,5 8 SOT energy conversion North Africa South Europe PV energy conversion Biomass 38844 2520 400-600 - 19422 1008 400-600 - 3884 20,2 40-1554 8,1 25 241,5-337 Total 47549-50641 21310-22690 4393-4447 >2042 a LBST: Ludwig Bφlkow Systemtechnik. Πίνακας 2.4: Δυναμικό παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου για την Ασία και την Αυστραλασία. (TWh year -1 ) Biomass (TWh year -1 ) Asia Australasia Hydropowe r 4306 305,6 Windpower 18890 20853 PV 28613 13057 5834 1389 Total (Asia + Australasia) 4611,6 39743 41670 7223

ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ-ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2004 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 27 Πίνακας 2.5: Ιαπωνικό δυναμικό παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου (εκτίμηση LBST). µ µ (TWh e year -1 ) µ µ (TWh e year -1 ) (TWh e year -1 ) µ µ (TWh-H 2 year -1 ) Hydropower? 143 14 5,6 Wind energy 60-270 8,9-34,1 5-18 2,5-9 Geothermal energy 675 241 4-67 1,6-27 Bioenergy (thermal 317 189-70 energy)? 156 41 26 PV energy conversion 920 33 3,3-33 1,3-13,2 Total >1972 771-796 67,3-173 107-151 2.2. Οικονομία υδρογόνου βασισμένη στην ηλεκτρόλυση 2.2.1. Μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας Ανάλογα με τη γεωγραφική θέση της περιοχής όπου παράγεται η ενέργεια, σε σχέση με το κέντρο χρήσης της, μπορούν να εφαρμοστούν διαφορετικοί τρόποι τροφοδότησης της ανανεώσιμης ενέργειας, και μερικοί πλεονεκτούν έναντι άλλων. Εάν υπάρχει ένα πυκνό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας με ικανοποιητική χωρητικότητα, ο αποδοτικότερος τρόπος να παρασχεθεί η ενέργεια σε οποιοδήποτε χρήστη είναι η ηλεκτρική ενέργεια. Εάν το δίκτυο δεν διαθέτει κάποια περίσσεια σε χωρητικότητα, η μετατροπή σε μια αποθηκεύσιμη μορφή ενέργειας, όπως το υδρογόνο, μπορεί να είναι περισσότερο κατάλληλη. Αυτή η χημική ενέργεια μπορεί έπειτα είτε να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την κίνηση οχημάτων είτε να αναδιαμορφωθεί σε ηλεκτρική ενέργεια από το στοιχείο καυσίμου ή τις εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας, συνδυασμένου κύκλου με αεριοστρόβιλο, σε περιόδους αιχμής. Εάν η θέση παραγωγής της ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας είναι αρκετά μακριά από τα κέντρα της χρήσης, τότε η μετατροπή της στην αποθηκεύσιμη χημική ενέργεια όπως τη μορφή του αέριου ή και στη συνέχεια του LH 2, μπορεί να κριθεί απαραίτητη, ειδικά όταν το υδρογόνο απαιτείται στην υγρή του μορφή στο σημείο της χρήσης. Η δρομολόγηση μέσω του LH 2 μπορεί ήδη να αρχίσει με σχετικά μικρές μονάδες υγροποίησης, των μερικών δεκάδων τόνων ανά ημέρα, αντίστοιχα, των μερικών δεκάδων MW, καθώς η δρομολόγηση μέσω του CGH 2 με τις απαραίτητες σωληνώσεις, ή μέσω των υψηλής τάσης χερσαίων υποθαλάσσιων γραμμών μεταφοράς συνεχούς ρεύματος (HVDC), είναι οικονομικά βιώσιμη, μόνο όταν πραγματοποιείται σε μεγέθη της τάξης των GW (τουλάχιστον 2000 MW e ως η οικονομικά ελάχιστη χωρητικότητα για τη μεταφορά