ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Κατά τα πρώιµα στάδια της ανθρώπινης δραστηριότητας η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών γινόταν αποκλειστικά µε εκµετάλλευση της βιοµάζας. Ο µέσος όρος ισχύος που καταναλώνει ένα ανθρώπινο σώµα σε κατάσταση ανάπαυσης είναι 0.1 kw και περίπου 0.4 kw για ένα σώµα που εργάζεται εντατικά, αποδίδοντας περίπου 0.1 kw έργου. Η κατανάλωση φυτών δεν άλλαξε το περιβάλλον διότι το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από τον άνθρωπο και τα ζώα απορροφάται εκ νέου από τα φυτά κατά την φωτοσύνθεση. Στα τέλη του 18ου αιώνα µε την ανακάλυψη της ατµοµηχανής δηµιουργήθηκε η ανάγκη εύρεσης ενέργειας υπό τη µορφή κάρβουνου. Για πρώτη φορά, ένα µη ζώντας οργανισµός και συγκεκριµένα µια µηχανή εργαζόταν για τον άνθρωπο θέτοντας τα θεµέλια µιας βιοµηχανοποιηµένης κοινωνίας. Επιπλέον, η παροχή της ενέργειας γινόταν δωρεάν, κάποιος έπρεπε να πληρώσει µόνο για την εξόρυξη του µεταλλεύµατος. Το κάρβουνο ως ένας στερεός ενεργειακός φορέας στην συνέχεια συµπληρώθηκε από το υγρό πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, όλα µεγάλης περιεκτικότητας σε άνθρακα.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Με την πάροδο του χρόνου δεν άλλαξε µόνο ο ενεργειακός φορέας, αλλά επίσης αυξήθηκε η ποσότητα του υδρογόνου στο καύσιµο. Η παγκόσµια κατανάλωση ενέργειας αυξήθηκε από 5x10 12 kwh/έτος το 1860 σε 1.2x1010 14 kwh/έτος σήµερα (σχήµα 8). Περισσότερο από 1.0x1010 14 kwh/έτος (80%) βασίζεται σε φυσικά καύσιµα (κάρβουνο, πετρέλαιο και φυσικό αέριο). Ο ανθρώπινος πληθυσµός έχει αυξηθεί κατά τον τελευταίο αιώνα κατά έναν παράγοντα 6 αλλά η κατανάλωση ενέργειας έχει αυξηθεί κατά έναν παράγοντα 80. Ο παγκόσµιος µέσος όρος συνεχούς κατανάλωσης ενέργειας σήµερα είναι 2 kw/άτοµο. Στις ΗΠΑ, ο µέσος όρος κατανάλωσης ενέργειας είναι 10 kw/άτοµο και στην Ευρώπη περίπου 5 kw/άτοµο, αν και υπάρχουν δύο δισεκατοµµύρια άνθρωποι στη Γη που δεν καταναλώνουν καθόλου φυσικά καύσιµα. Τα αποθέµατα φυσικών καυσίµων στη Γη είναι περιορισµένα και προβλέψεις βασισµένες στην συνέχιση της αύξησης κατανάλωσης ενέργειας δείχνουν ότι η ζήτηση σύντοµα θα υπερβεί την προσφορά. ε θα πρέπει να ξεχνάµε ότι τα συµβατικά καύσιµα της σύγχρονης εποχής µας δεν είναι ανεξάντλητα και θα πρέπει να στραφούµε προς κάποια νέα πηγή ενέργειας, κατά το ιδανικό, ανανεώσιµη.
Σχήµα 8: Εξέλιξη της παγκόσµιας κατανάλωσης ενέργειας
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Επιπλέον, η κατανάλωση ορυκτών καυσίµων είναι υπεύθυνη για την αύξηση διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα σε επίπεδα περίπου 3x10 12 kg C/έτος. Το παραγόµενο CO 2 είναι υπεύθυνο για το φαινόµενο του θερµοκηπίου µε αποτέλεσµα την αύξηση της µέσης θερµοκρασίας του πλανήτη. Το κύριο πρόβληµα είναι το γεγονός ότι µία µεγάλη ποσότητα (περίπου 98%) διοξειδίου του άνθρακα διαλύεται στο νερό των ωκεανών (7.5x10 14 kg C στην ατµόσφαιρα, 4.1x1010 16 kg C στους ωκεανούς). Περίπου 2x10 12 kg C ετησίως διαλύεται στο νερό του ωκεανού. Η διαλυτότητα διοξειδίου του άνθρακα µειώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας του νερού κατά περίπου 3%/K. Εάν η µέση θερµοκρασία των ωκεανών αυξηθεί, η ισορροπία της διαλυτότητας του διοξειδίου του άνθρακα µεταξύ ατµόσφαιρας και ωκεανού θα µετακινηθεί προς την ατµόσφαιρα και θα οδηγήσει σε µείωση της ροής CO2 στον ωκεανό και ως εκ τούτου σε µία επιπρόσθετη αύξηση του αερίου θερµοκηπίου στην ατµόσφαιρα.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Λαµβάνοντας υπόψη την ιστορική εξέλιξη των ενεργειακών φορέων προς περισσότερο πλούσια σε υδρογόνο καύσιµα και την αναγκαιότητα µείωσης των εκποµπών διοεξειδίου του άνθρακα, τότε το υδρογόνο θα πρέπει να αποτελέσει τον ενεργειακό φορέα του µέλλοντος: C (κάρβουνο) (- CH2 -) (πετρέλαιο) CH4 (φυσικό αέριο) H2 (υδρογόνο) Βλέπουµε ιστορικά µία πορεία από καύσιµα υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα σε καύσιµα υψηλότερης περιεκτικότητας σε υδρογόνο, καθώς επίσης από στερεά σε υγρά και στη συνέχεια σε αέρια καύσιµα.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Με τον όρο «οικονοµία υδρογόνου» ονοµάζουµε την υποδοµή για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών βασισµένη στο υδρογόνο και περικλείει τις έννοιες της παραγωγής, της αποθήκευσης και της χρήσης του. Επιπλέον, αν η παραγωγή του βασιστεί σε ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, οι παραπάνω διαδικασίες αποτελούν µέρη µίας καθαρής από ρύπους, κυκλικής διαδικασίας, το λεγόµενο κύκλο του υδρογόνου. Η οικονοµία υδρογόνου αποτελεί την πιο ελκυστική λύση όσων αφορά την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών στο άµεσο µέλλον. Μπορούµε να φανταστούµε την οικονοµία υδρογόνου σαν ένα συνδεδεµένο δίκτυο από χηµικές διεργασίες οι οποίες παράγουν υδρογόνο από φυσικά καύσιµα, τη βιοµάζα ή την ηλεκτρόλυση του νερού, αποθήκευση του παραγόµενου υδρογόνου µε φυσικές ή χηµικές µεθόδους και µετατροπή της ενέργειας η οποία φέρεται από το υδρογόνο σε ηλεκτρική ενέργεια και θερµότητα στο σηµείο ζήτησης. Οι ενεργειακές απαιτήσεις του επόµενου αιώνα µπορούν να καλυφθούν από αυτό ακριβώς το µοντέλο. Χρησιµοποιώντας την ηλιακή ενέργεια για την ηλεκτρόλυση του νερού και παράγοντας ενέργεια µε τη χρήση του υδρογόνου που παράγεται µε µόνο παραπροϊόν νερό έχουµε επιτύχει έναν κύκλο παραγωγής ενέργειας µεγάλης απόδοσης και ελάχιστων ρύπων.
Ο κύκλος του υδρογόνου: Η ενέργεια από τον ήλιο µετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια µέσω φωτοβολταϊκών κελιών. Η ηλεκτρική ενέργεια χρησιµοποιείται ώστε να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το τελευταίο ελευθερώνεται στην ατµόσφαιρα και το υδρογόνο αποθηκεύεται, µεταφέρεται και διανέµεται. Τελικά, το υδρογόνο µαζί µε το οξυγόνο καίγονται και η ενέργεια ελευθερώνεται ως έργο και θερµότητα αφήνοντας νερό ή ατµούς στην ατµόσφαιρα. Με αυτό κλείνει ο κύκλος του υδρογόνου.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Παρόλο που η παραπάνω εικόνα φαίνεται ιδιαίτερη ελκυστική, προς το παρόν, αρκετά επιστηµονικά και τεχνικά θέµατα πρέπει πρώτα να επιλυθούν. Κάθε τοµέας της οικονοµίας υδρογόνου, η παραγωγή υδρογόνου δηλαδή, η αποθήκευσή του και η εκµετάλλευσή του έχει ιδιαίτερες απαιτήσεις. Μόνο όταν δοθούν ικανοποιητικές λύσεις, µπορεί το συνολικό κόστος να γίνει συγκρίσιµο µε αυτό των σύγχρονων πηγών ενέργειας µε τελικό στόχο την πλήρη αντικατάστασης της υπάρχουσας υποδοµής µε µία νέα, στηριζόµενη στο υδρογόνο. Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο χρειάζεται κάτι περισσότερο από απλή βελτίωση των σηµερινών σχετικών τεχνολογιών. Θα πρέπει αντιθέτως να γίνουν θεµελιώδους σηµασίας πρόοδοι σε µία πληθώρα επιστηµονικών πεδίων όπως η φυσική, η χηµεία ή η επιστήµη των υλικών. Ιδιάζουσας σηµασίας είναι η κατανόηση των διεργασιών οι οποίες λαµβάνουν χώρα σε ατοµικό και µοριακό επίπεδο στη διεπιφάνεια υδρογόνου και διαφόρων υλικών για τη χρήση των δεύτερων στη ενέργεια υδρογόνου. Νέα υλικά χρειάζονται για τη χρήση τους ως µεµβράνες, καταλύτες ή αποθηκευτικά µέσα. Προκειµένου όµως να γίνει εφικτό αυτό χρειάζεται µία προσέγγιση η οποία δεν περιορίζεται στη γνώση ενός µόνο γνωστικού πεδίου αλλά αντιθέτως προκύπτει ως αποτέλεσµα συνδυασµού περισσοτέρων του ενός.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Σαν µέρος της επιστήµης και της τεχνολογίας το οποίο βρίσκεται σε πρώιµα, σχετικά, στάδια ανάπτυξης, το βάρος δίνεται στην πειραµατική διαδικασία. Ωστόσο εξίσου ιδιαίτερης σηµασίας αποτελεί η ανάπτυξη και η εκµετάλλευση θεωρητικών µοντέλων µε µεθόδους προσοµοίωσης προκειµένου να βοηθηθεί το πείραµα και να ξεχωρίσουν κάποιες κατευθύνσεις για πιο προσοδοφόρα έρευνα. Οι δραµατικές πρόοδοι στην υπολογιστική ισχύ τα τελευταία χρόνια και σε συνδυασµό µε τη χρήση υπολογιστικών συστηµάτων παράλληλης επεξεργασίας έχουν διευκολύνει πολύ τη θεωρητική µελέτη δίνοντας µοντέλα για την κατάλυση, την αποθήκευση και τη λειτουργία των κυψελών καυσίµου. Επίσης ένα τοµέας του οποίου η εξέλιξη αποτελεί καθοριστικό παράγοντα στην εξέλιξη της οικονοµίας υδρογόνου είναι η επιστήµη και η τεχνολογία στη κλίµακα του νανο- µέτρου. Υλικά προοριζόµενα για την αποθήκευση υδρογόνου ή για ηλεκτρόδια κυψέλων καυσίµου βελτιώνουν την επίδοση τους ραγδαία όταν αυτά αποκτήσουν νανο- κρυσταλλική δοµή. Ο λόγος είναι ότι τα υλικά αυτά παρουσιάζουν ιδιαίτερες ιδιότητες οι οποίες οφείλονται στο µεγάλο λόγο επιφάνειας όγκου των θεµελιωδών λίθων τους.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Η κατάλυση είναι εκ φύσεως παρατηρούµενη στην κλίµακα του νανοµέτρου. Κατά- νοώντας τις χηµικές και φυσικές διεργασίες που χαρακτηρίζουν τις καταλυτικές διεργασίες, µπορούµε να αυξήσουµε την απόδοση και την κινητική αυτών. Κατασκευάζοντας βελτιωµένους καταλυτές µπορεί να δοθεί µεγάλη ώθηση σε πολλούς τοµείς της οικονοµίας υδρογόνου. Αυτό γίνεται εύκολα αντιληπτό κατανοώντας πως η κατάλυση παίζει κεντρικό ρόλο τόσο στην παραγωγή όσο και στην αποθήκευση του υδρογόνου όπως επίσης και στη λειτουργία των κυψέλων καυσίµου. Το θέµα της οικονοµίας υδρογόνου, θα πρέπει επίσης να σηµειωθεί ότι δεν περιορίζεται σε γνωστικά πεδία όπως η φυσική ή χηµεία και άλλες θετικές επιστήµες ή σύγχρονες τεχνολογίες. Ωστόσο, αυτή τη στιγµή, η βαρύτητα δίνεται σε αυτά τα πεδία. Η οικονοµία υδρογόνου είναι ένα ευρύ θέµα και µε την εδραίωση της οι επιπτώσεις στο πολιτισµό µας θα είναι τέτοιες ώστε να αποτελέσει αντικείµενο µελέτης των οικονοµικών επιστηµών ή ακόµα και τις για ανθρωπιστικές επιστήµες όπως η κοινωνιολογία
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Το θέµα της οικονοµίας υδρογόνου προσελκύει όλο και περισσότερη προσοχή πείθοντας για την καταλληλότητα του υδρογόνου ως µελλοντικό φορέα ενέργειας. Αυτό είναι αναµενόµενο σε κάποιο βαθµό καθώς µόνο πρόσφατα το επίπεδο των εµπλεκοµένων επιστηµών έχει ωριµάσει αρκετά για τη σωστή προσέγγιση του θέµατος της οικονοµίας υδρογόνου, χωρίς όµως αυτό να σηµαίνει πως δεν απαιτείται περαιτέρω ανάπτυξη. Αντιθέτως, πολλά πρέπει να γίνουν σε επιστηµονικό και τεχνολογικό επίπεδο πριν οι τεχνολογίες υδρογόνου θεωρηθούν ώριµες για µαζική χρήση. Εξίσου σηµαντικός παράγοντας είναι επίσης, η αποδοχή του κοινού, µια όχι και τόσο ταχεία διαδικασία. Επιπλέον, ας µη ξεχνάµε ότι το υδρογόνο δεν αποτελεί τη µοναδική εναλλακτική όσων αφορά την επίλυση των ενεργειακών αναγκών. Σε κάθε περίπτωση όµως, η οικονοµία υδρογόνου είναι µία ιδέα η οποία ακόµα κι αν δεν υιοθετηθεί ποτέ θα έχει συνεισφέρει σε µεγάλο βαθµό προς την κατεύθυνση εκµετάλλευσης των ανανεώσιµων και φιλικών προς το περιβάλλον πηγών ενέργειας και την ανάπτυξη ανάλογων νέων τεχνολογιών.
ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Θα µπορούσε να επιτευχθεί οικονοµία σε αέρια θερµοκηπίου ύψους 140 ΜtCO2 ανά έτος (14% των σηµερινών επιπέδων των εκποµπών CO2 από παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας) εάν περίπου 17% της συνολικής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, που παρέχεται σήµερα από κεντρικούς σταθµούς ηλεκτροπαραγωγής, αντικατασταθεί από αποδοτικότερους αποκεντρωµένους σταθµούς ηλεκτροπαραγωγής, συµπεριλαµβανο- µένων των στατικών συστηµάτων κυψελών καυσίµου υψηλής θερµοκρασίας που καίνε φυσικό αέριο. Τα συστήµατα κυψελών καυσίµου θα χρησιµοποιηθούν ως βάση στα µελλοντικά αποκεντρωµένα ενεργειακά συστήµατα. Σηµαντικές ποσότητες CO2 θα µπορούσαν να συγκρατηθούν µε σχεδόν µέτριους βαθµούς εισχώρησης οχηµάτων υδρογόνου και στατικών συστηµάτων παραγωγής ενέργειας µε βάση τις κυψέλες καυσίµου. 15% των αναγεννητικών οχηµάτων υδρογόνου και τα υβριδικά συστήµατα κυψελών καυσίµου / αεριοστρόβιλων θα µπορούσαν να επιφέρουν συγκράτηση CO2 περίπου 250 ΜtCO2 ετησίως. Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 6% των σχετικών µε την παραγωγή ενέργειας εκποµπών CO2 που έχουν προβλεφθεί για το 2030. Μια πρόοδος σε τέτοια έκταση θα επέτρεπε στην Ευρώπη να συµβάλλει στην επίτευξη του στόχου του Πρωτοκόλλου του Κιότο.
ΑΝΑΓΚΕΣ ΣΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΙΑΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Όλες οι όψεις µιας οικονοµίας υδρογόνου θα πρέπει να ληφθούν υπόψη πριν από την πραγµατοποίηση οποιασδήποτε επένδυσης συµπεριλαµβανοµένων εκείνων για έρευνα και ανάπτυξη. Το πρωταρχικό ερώτηµα «Πόση ενέργεια χρειάζεται για να λειτουργήσει µια οικονοµία υδρογόνου;» αναλύεται παρακάτω µε λεπτοµέρεια. Θεωρούµε τα βασικά στάδια µιας οικονοµίας υδρογόνου - παραγωγή, συσκευασία, µεταφορά, αποθήκευση στοιχειώδους υδρογόνου - και συσχετίζουµε την ενέργεια που καταναλώνεται για τις λειτουργίες αυτές µε το ενεργειακό περιεχόµενο του παραγόµενου υδρογόνου.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Η σηµερινή παγκόσµια κατανάλωση υδρογόνου ως χηµικής πρώτης ύλης (περίπου 5x10 10 kg/έτος) παράγεται σε ένα µεγάλο ποσοστό από τα ορυκτά καύσιµα µέσω της αντίδρασης ( CH2 )+ 2H2O 3H2 +CO2 σε θερµοκρασία 850 oc. Η αντίδραση αυτή είναι ενδόθερµη και ως εκ τούτου καταναλώνει ενέργεια, 8.9 kwh/kg kg υδρογόνου. Όµως η παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιµα δεν είναι ανανεώσιµη και παράγει τουλάχιστο την ίδια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα όπως η απευθείας καύση των ορυκτών καυσίµων. Ιδανικά, οι ανάγκες σε ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου θα ισούνταν µε το ενεργειακό περιεχόµενο του συντιθέµενου αερίου. Ωστόσο, η παραγωγή υδρογόνου µε οποιαδήποτε διεργασία, όπως ηλεκτρόλυση ή αναµόρφωση, εµπεριέχει το µετα- σχηµατισµό ενέργειας. Η ηλεκτρική ή η χηµική ενέργεια των υδρογονανθράκων µετα- τρέπεται σε χηµική ενέργεια του υδρογόνου. υστυχώς, οι µετασχηµατισµοί ενέργειας σχετίζονται πάντα µε ενεργειακές απώλειες.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Η παραγωγή υδρογόνου από νερό µε ηλεκτρόλυση είναι µια από τις πιο ενεργοβόρες µεθόδους. Από τη στιγµή που η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από µια καθαρή πηγή, η ηλεκτρόλυση είναι µια καθαρή διεργασία, αλλά συνδέεται µε σηµαντικές απώλειες. Η ηλεκτρόλυση είναι το αντίστροφο της αντίδρασης οξείδωσης υδρογόνου σε µια κυψέλη καυσίµου, το κανονικό δυναµικό της οποίας είναι περίπου 1.23 Volts σε κανονικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Ωστόσο, οι συσκευές ηλεκτρόλυσης χρειάζονται ένα υψηλότερο δυναµικό ώστε να διαχωρίσουν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Κάτω από συνθήκες λειτουργίας, ένα επιπλέον δυναµικό χρειάζεται για να υπερνικήσει την πόλωση και τις ωµικές απώλειες. Για στερεά πολυµερή ή αλκαλικά συστήµατα, οι απώλειες λόγω πόλωσης είναι τυπικά 0.28 Vol. Υποθέτοντας ότι χρησιµοποιούνται ο ίδιος ηλεκτρολύτης και οι καταλύτες, τα δυναµικά ανοιχτού κυκλώµατος για κυψέλη καυσίµου και σύστηµα ηλεκτρόλυσης γίνονται 1.23 V +/- 0.28 V = 0.95 V και 1.51 V αντίστοιχα. Υποθέτοντας επίσης και για τις δύο περιπτώσεις µια αντίσταση ειδικής επιφάνειας 0.2 Ohm/cm2 λαµβάνουµε τα χαρακτηριστικά µιας κυψέλης καυσίµου χαµηλής θερµοκρασίας (γραµµή µε παύλες) και µιας αντίστοιχης συσκευής ηλεκτρόλυσης (στερεά γραµµή) στο παρακάτω σχήµα.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Σχήµα 11: Χαρακτηριστικά δυναµικού-ρεύµατος συσκευής ηλεκτρόλυσης υδρογόνου και κυψέλης καυσίµου.
Σε συνθήκες ανοιχτού κυκλώµατος, το κανονικό ηλεκτροχηµικό δυναµικό του ζεύγους υδρογόνου-οξυγόνουοξυγόνου είναι 1.23 Volts σε κανονικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Προκειµένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση του συστήµατος, οι κυψέλες καυσίµου συνήθως λειτουργούν περίπου σε 0.7 Volts π.χ. περίπου 1.2 A/cm2. Υποθέτουµε ότι οι ίδιες απαιτήσεις βελτιστοποίησης ισχύουν επίσης για µια συσκευή ηλεκτρόλυσης. Σε αυτήν την περίπτωση, το αντίστοιχο δυναµικό λειτουργίας είναι 1.76 Volts όπως δηλώνεται από την οριζόντια γραµµή παύλας-τελείας στο παρακάτω σχήµα 11. Το κανονικό δυναµικό των 1.23 Volts αντιστοιχεί στην ανώτερη θερµογόνο δύναµη (HHV) του υδρογόνου. Συνεπώς, το επιπλέον δυναµικό είναι το µέτρο των ηλεκτρικών απωλειών της εν λειτουργία συσκευής ηλεκτρόλυσης. Οι απώλειες που σχετίζονται µε την ανώτερη θερµογόνο δύναµη του υδρογόνου εξαρτώνται από την ταχύτητα παραγωγής υδρογόνου δηλ. την πυκνότητα ρεύµατος, όπως δείχνει το σχήµα 12. Συγκρινόµενο µε το κανονικό δυναµικό των 1.23 Volts, ένα δυναµικό λειτουργίας 1.76 Volt υποδηλώνει ότι πρέπει να παρασχεθούν 1.43 µονάδες ενέργειας ώστε να δηµιουργήσουν 1 µονάδα ανώτερης θερµογόνου δύναµης υδρογόνου, µε σταδιακή απόδοση 1/1.43 = 70%. Σε υψηλότερες ειδικές ταχύτητες παραγωγής υδρογόνου, π.χ. υψηλότερες πυκνότητες ρεύµατος, η αποδοτικότητα αυτή είναι ακόµη χαµηλότερη. Επίσης, αυτή η ανάλυση δε λαµβάνει υπόψη τις απώλειες κατά τη µετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής ηλεκτρικής τάσης (AC) στην ηλεκτρική ενέργεια υψηλού ρεύµατος (DC) η οποία χρησιµοποιείται σε συσκευές ηλεκτρόλυσης.
Σχήµα 12: Ανάγκες σε ενέργεια για την ηλεκτρόλυση νερού σε σύγκριση µε την ενέργεια HHV του παραγόµενουυδρογόνου.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Για την ηλεκτρόλυση του νερού µπορεί να χρησιµοποιηθεί ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιµες πηγές, π.χ. ηλιακή ακτινοβολία, αιολική ενέργεια, φωτοβολταϊκά στοιχεία, γεωθερµική ενέργεια και ενέργεια προερχόµενη από υδατοπτώσεις. Σε κάθε περίπτωση, η ηλεκτρόλυση µπορεί να είναι ο µοναδικός πρακτικός σύνδεσµος ανάµεσα στη φυσική ανανεώσιµη ενέργεια και τις κυψέλες καυσίµου που χρειάζονται για εφαρµογές στις µεταφορές. Εποµένως, το υδρογόνο µπορεί να αποτελέσει έναν σηµαντικό σύνδεσµο ανάµεσα στην ανανεώσιµη φυσική ενέργεια και στους φορείς χηµικής ενέργειας. Η ηλεκτρόλυση σε θερµοκρασία και πίεση περιβάλλοντος απαιτεί ελάχιστο δυναµικό 1481 V, εποµένως ελάχιστη ενέργεια 39.7 kwh/kg kg υδρογόνου. Επί του παρόντος, τα συστήµατα ηλεκτρόλυσης καταναλώνουν περίπου 47 kwh/kg kg υδρογόνου, δηλαδή η απόδοσηή τους είναι περίπου 85%. Η παραγωγή υδρογόνου µέσω ηλεκτρόλυσης κατά- ναλώνει ηλεκτρική ενέργεια, η οποία αποτελεί φυσικό έργο. Εξαιτίας των περιορισµών του κύκλου Carnot µόνο το ένα τρίτο περίπου της θερµότητας µπορεί να µετατραπεί σε έργο. Αυτός είναι ο λόγος που η αποθηκευµένη στο υδρογόνο ενέργεια είναι περίπου τρεις φορές ακριβότερη από το πετρέλαιο.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Το υδρογόνο δεν είναι πηγή ενέργειας αλλά ένας ακόµη φορέας ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται σε χηµική ενέργεια υδρογόνου µέσω ηλεκτρόλυσης και εν µέρει ανακτάται µέσω εκ νέου µετατροπής του συνθετικού φορέα ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια από τις κυψέλες καυσίµου. Σε µια µελλοντική οικονοµία ανανεώσιµης ενέργειας, η φυσική ενέργεια ηλιακής προέλευσης (απευθείας ακτινοβολία, κινητική ενέργεια από τον άνεµο, νερό και κύµατα) ή η γεωθερµική ενέργεια θα αποτελέσουν τις κύριες πηγές ηλεκτρισµού. Για όλες τις σταθερές εφαρµογές η διανοµή ενέργειας «από ηλεκτρόνια» είναι πολύ ανώτερη από την µεταφορά ενέργειας «από υδρογόνο». Για κοντινές αποστάσεις η µεταφορά ηλεκτρονίων σε µπαταρίες παρέχει µια αποδοτική και καθιερωµένη λύση. Οι κυψέλες καυσίµου είναι µετατροπείς ενέργειας. Μπορούν να συνεισφέρουν σε ένα ασφαλές ενεργειακό µέλλον µόνο εάν χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από πηγή ενέργειας ορυκτών καυσίµων τα οποία σε διαφορετική περίπτωση θα είχαν µετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια µε συµβατικές µηχανές θέρµανσης. Σε σύγκριση µε τα εργοστάσια παραγωγής θερµικής ενέργειας, τις µηχανές εσωτερικής καύσης και τις τουρµπίνες αερίου οι κυψέλες καυσίµου υπόσχονται µεγαλύτερη απόδοση, καθαρότητα, µεγαλύτερη ευκολία και χαµηλότερο κόστος. Αυτά τα επιχειρήµατα αφορούν κυψέλες καυσίµου που χρησιµοποιούν φυσικό αέριο, βενζίνη, ντήζελ, µεθανόλη, αιθανόλη κτλ.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Μια οικονοµία υδρογόνου βασίζεται σε δύο ηλεκτρολυτικές διεργασίες που είναι άµεσα συνδεδεµένες µε πολύ µεγάλες ενεργειακές απώλειες: την ηλεκτρόλυση και τις κυψέλες καυσίµου. Επιπλέον, µεταξύ της µετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας σε υδρογόνο µέσω ηλεκτρόλυσης και της εκ νέου µετατροπής υδρογόνου σε ηλεκτρική ενέργεια µε τις κυψέλες καυσίµου, ο αέριος ενεργειακός φορέας πρέπει να πακεταριστεί µε συµπίεση ή υγροποίηση. Πρέπει να διανεµηθεί µε επιφανειακά µέσα ή σωληνώσεις, να αποθηκευτεί και να µεταφερθεί. Όπως και να χρησιµοποιηθεί τελικά το υδρογόνο, σε σταθερές ή κινητές εφαρµογές, η απόδοση της αλυσίδας υδρογόνου µεταξύ του εργοστασίου παραγωγής ενέργειας και της εξόδου της κυψέλης καυσίµου δεν ξεπερνά το 30%. Η διεργασία της απευθείας θερµικής διάσπασης του νερού, γνωστής και ως θερµόλυση του νερού, δηλαδή H2O H2+1/2 O, χρησιµοποιεί µια επιφάνεια οξειδίου του ζιρκονίου, η οποία θερµαίνεταισε θερµοκρασίες µεγαλύτερες από 2500 Κ και εκτείθεται σε ένα ρεύµα ατµών. Τα αέρια προϊόντα τηςθερµόλυσης του νερού απαιτούν διαχωρισµό σε υψηλές θερµοκρασίες ώστε να αποφευχθεί επανασύνδεσή τους ή σχηµατισµός εκρηκτικού µίγµατος. Μεταξύ των προτεινόµενων µεθόδων διαχωρισµού του υδρογόνου από τα άλλα προϊόντα είναι διαχωρισµός µε έκχυση και µε ηλεκτρόλυση. Η απλούστερη µέθοδος περιλαµβάνει γρήγορη ψύξη µέσω έγχυσης ενός κρύου αέριου ρεύµατος ή µέσω διαστολής σε ακροφύσιο, ακολουθούµενη από διαχωρισµό σε χαµηλή θερµοκρασία. Η ψύξη όµως συνεπάγεται σηµαντική πτώση στην αποδοτικότητα της διεργασίας.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Η τεχνολογική πρόκληση που χρειάζεται να ξεπεραστεί προτού η παγκόσµια οικονοµία υδρογόνου γίνει πραγµατικότητα είναι η παραγωγή, η ασφαλής και εύκολη αποθήκευση καθώς και η αποδοτική καύση του υδρογόνου. Προκειµένου να ικανοποιηθεί η παγκόσµια ζήτηση σε καύσιµα, χρειάζεται να παραχθούν περισσότερα από 3x10 12 kg υδρογόνου, το οποίο υπερβαίνει κατά περίπου 100 φορές την παρούσα παραγωγή υδρογόνου. Η ηλιακή σταθερά είναι 1369 kw/m2 και περίπου 50% της ηλιακής ακτινο- βολίας φθάνει στην επιφάνεια της γης. Τα φωτοβολταϊκά συστήµατα έχουν απόδοση περίπου 10% που είναι ίδια µε εκείνη των βιολογικών συστηµάτων βασισµένων στη φωτοσύνθεση. Το καλαµπόκι είναι ένα από τα φυτά µε απόδοση στη µετατροπή του φωτός 10%. Στην καλύτερη περίπτωση, το ήµισυ του χρόνου είναι νύχτα ως εκ τούτου κάτω από ιδανικές συνθήκες περίπου 541000 km2 (90 m2/person) καλυµµένα µε φωτοβολταϊκά κελιά θα απαιτούνταν ώστε να παράγουν την σηµερινή απαιτούµενη παγκόσµια κατανάλωση ενέργειας. Αυτό αντιστοιχεί σε ένα τετράγωνο µε πλευρές διαστάσεων 740 km η καθεµία. Η πρόκληση σε οικονοµικούς όρους είναι το κόστος παραγωγής του υδρογόνου. Η παγκόσµια οικονοµία σήµερα βασίζεται σε δωρεάν ενέργεια φυσικά αποθηκευµένης εδώ και εκατοµµύρια χρόνια. Η τιµή που είθισται να πληρώνουµε για ορυκτά καύσιµα περιλαµβάνει µόνο το κόστος εξόρυξης.
ΠΑΡΑΓΩΓΗ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ Προκειµένου να προσαρµοστεί η παγκόσµια οικονοµία σε ένα συνθετικό καύσιµο όπως είναι το υδρογόνο, πρέπει να πειστεί για τα πλεονεκτήµατά του ώστε να αναγκαστεί να επωµιστεί το κόστος της περιεχόµενης ενέργειας. Οι ανανεώσιµες πηγές απαιτούν σε γενικές γραµµές επενδύσεις διάρκειας 5 ετών για την παραγωγή ενέργειας. Αυτό συνεπάγεται επενδύσεις ύψους 1013-1014 1014 δηλαδή 10-100 τρισεκατοµµύρια ευρώ που ισοδυναµεί µε την ποσότητα που ξοδεύεται παγκοσµίως σε ενέργεια για χρονικό διάστηµα 5 ετών. Η επένδυση αντιστοιχεί σε περίπου 20% του ετήσιου εισοδήµατος ενός ατόµου που ζει σε µια ιδιαίτερα βιοµηχανοποιηµένη χώρα. Το υδρογόνο παραγόµενο από αναµόρφωση φυσικού αερίου µπορεί να κοστίσει λιγότερο (σε χρήµα και ενέργεια) από το υδρογόνο που παράγεται µε ηλεκτρόλυση, αλλά για τις περισσότερες εφαρµογές, το φυσικό αέριο είναι το ίδιο καλό, αν όχι καλύτερο, από το υδρογόνο. Για χρήση σε οδικές µεταφορές, εάν το φυσικό αέριο µετατρεπόταν σε υδρογόνο, η συνολική απόδοση θα µειωνόταν, εποµένως για συγκεκριµένες τελικές απαιτήσεις σε ενέργεια, οι εκποµπές CO2 θα αυξάνονταν. Επιπλέον, για όλες τις σταθερές εφαρµογές, η διανοµή ενέργειας µε τη µορφή ηλεκτρισµού θα ήταν ενεργειακά ανώτερη από τη χρήση υδρογόνου ως ενεργειακού φορέα.