ΧΡΟΝΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΙΣΗΓΗΣΕΩΝ (ΧΕΙΜΕΡΙΝΟ 2010-11) 11) α/α Ηµεροµηνία Εισήγηση 1 4/10 Υ ΡΟΓΟΝΟ-ΚΕΛΛΙΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 2 11/10 ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ 3 18/10 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ 4 25/10 ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ (Ι) 5 1/11 ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ (ΙΙ) 6 8/11 ΒΙΟΜΑΖΑ (Ι) 7 15/11 ΒΙΟΜΑΖΑ (ΙΙ) 8 22/11 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ (Ι) 9 29/11 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ (ΙΙ) 10 6/12 ΜΕΤΑΦΟΡΑ 11 13/12 FUEL CELLS (I) 12 10/1 FUEL CELLS (II) 13 17/1 ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΟ
ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΣΥΓΓΡΑΜΜΑΤΑ Παραγωγή υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια Κωδικός Βιβλίου στον Εύδοξο: 9597 Έκδοση: 1η έκδ./2007 Συγγραφείς: Vegiroglu Negat T., Smith Debbi, Bockris J. O'M. ISBN: 978-960-418-110-0 ιαθέτης (Εκδότης): ΕΚ ΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Ο.Ε. Βιοµάζα Κωδικός Βιβλίου στον Εύδοξο: 9437 Έκδοση: 1η έκδ./2009 Συγγραφείς: Βάµβουκα έσποινα ISBN: 978-960-418-167-4 ιαθέτης (Εκδότης): ΕΚ ΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Ο.Ε. Σηµειώσεις ιδάσκοντος
I believe that water will one day be employed as fuel, that hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of which coal is not capable. I believe then that when the deposits of coal are exhausted, we shall heat and warm ourselves with water. Water will be the coal of the future. Νερό το οποίο θα έχει διασπαστεί στα συστατικά του µέρη και θα έχει διασπαστεί αναµφίβολα, µε τη χρήση ηλεκτρισµού, και το οποίο στη συνέχεια θα έχει καταστεί µια ισχυρή και διαχειρίσιµη δύναµη Ναι, φίλοι µου, πιστεύω ότι το νερό µια µέρα θα χρησιµοποιείται ως καύσιµο, ότι το υδρογόνο και το οξυγόνο που το αποτελούν, χρησιµοποιηµένα αυτόνοµα ή σε συνδυασµό, θα προσφέρουν µια ανεξάντλητη πηγή θερµότητας και φωτός, τέτοιας έντασης που ο άνθρακας δεν είναι σε θέση να παράγει Το νερό θα είναι ο άνθρακας του µέλλοντος Ιούλιος Βέρν (1874)
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΣΤΟΧΟΙ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Το υδρογόνο είναι το βασικότερο και αφθονότερο στοιχείο στο σύµπαν. Αποτελεί τη συστατική ύλη των άστρων και του ήλιου µας και, εφόσον αξιοποιηθεί κατάλληλα, είναι το αιώνιο καύσιµο. εν εξαντλείται ποτέ και η χρήση του δεν προκαλεί επιβλαβείς εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα. Η εµπορική αξιοποίηση ενεργειακών κυψελών υδρογόνου, για οικιακή και βιοµηχανική χρήση, κάνει ήδη τα πρώτα της βήµατα. Οι µεγάλες αυτοκινητοβιοµηχανίες διέθεσαν περισσότερα από δύο δισεκατοµµύρια δολάρια για την ανάπτυξη αυτοκινήτων, λεωφορείων και φορτηγών που κινούνται µε υδρογόνο και τα πρώτα τέτοια οχήµατα µαζικής παραγωγής θα µπορούσαν να βρίσκονται στους δρόµους µέσα σε λίγα χρόνια Η ανάπτυξη των τεχνολογιών υδρογόνου σε συνδυασµό µε τις κυψέλες καυσίµου αποτελεί µια από τις σηµαντικότερες ερευνητικές δραστηριότητες σε παγκόσµια κλίµακα και σηµαντική ενεργειακή επιλογή καθώς συνδυάζει την δυνατότητα της ενεργειακής απεξάρτησης από την χρήση ορυκτών καυσίµων µε την βελτιωµένη περιβαλλοντική επίδοση. Τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα των κυψελών καυσίµου έναντι των συµβατικών µεθόδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι η υψηλότερη απόδοση και η ελαχιστοποίηση των εκποµπών αερίων ρύπων.
Ιστορική Αναδροµή (I) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το υδρογόνο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Βρετανό επιστήµονα Χένρι Κάβεντις. Σε ένα κείµενο που παρουσίασε ενώπιον της Βασιλικής Ένωσης του Λονδίνου το 1776, ανέφερε ένα πείραµα µε το οποίο είχε παραγάγει νερό συνθέτοντας οξυγόνο και υδρογόνο µε τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού σπινθήρα. Καθώς τα στοιχεία δεν είχαν ονοµαστεί ακόµη, ονόµασε το ένα ζωογόνο αέρα και το άλλο εύφλεκτο αέρα. Ο Γάλλος χηµικός Λαβουαζιέ επανέλαβε µε επιτυχία το πείραµα του Κάβεντις το 1785 και ονόµασε το ζωογόνο αέρα οξυγόνο και το εύφλεκτο αέριο υδρογόνο. Η πρώτη πρακτική χρήση του υδρογόνου, µάλλον αναµενόµενα ήταν στον πόλεµο. Ενας χηµικός,ο Γκουιτόν Ντε Μορβό, ο οποίος ήταν παράλληλα µέλος της Επιτροπής Λαικής Σωτηρίας, µιας από τις αντίπαλες παρατάξεις κατά τη διάρκεια των συγκρούσεων που ξέσπασαν στην Γαλλία µετά την κατάληψη της Βαστίλης το 1793, έκανε την πρόταση να παραχθεί υδρογόνο σε µεγάλες ποσότητες και να χρησιµοποιηθεί σε αναγνωριστικά αερόστατα. Η πρώτη γεννήτρια υδρογόνου κατασκευάστηκε σε ένα στρατόπεδο λίγο έξω από το Παρίσι το 1794.
Ιστορική Αναδροµή (II) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Υδρογόνο παραγόταν για εµπορικούς σκοπούς στην Ευρώπη και στην Βόρεια Αµερική. Η καναδική Electrolyser Corporation Limited άνοιξε το δρόµο. Η εταιρεία, η οποία τον πρώτο καιρό ονοµάζονταν Stuart Oxygen Company, κατασκεύασε και πούλησε τους πρώτους εµπορικούς ηλεκτρολυτικά κελλιά σε µια αµερικανική εταιρεία µε έδρα το Σαν Φρανσίσκο το 1920. Τα ηλεκτρολυτικά κελλιά είναι συσκευές που διασπούν το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Σήµερα, η Electrolyser Corporaton είναι µια από τις µεγαλύτερες κατασκευάστριες εταιρείες εργοστασίων ηλεκτρολυτικού υδρογόνου στον κόσµο. Ο πρώτος σηµαίνων επιστήµονας που οραµατίστηκε το πλήρες φάσµα των δυνατοτήτων που προσέφερε το υδρογόνο ήταν ο Τζον Μπερντεν Σάντερσον Χαλντέιν, ο οποίος αργότερα εξελίχθηκε σε ένα από τους πλέον διακεκριµένους γενετιστές του 2 ου αιώνα. Το 1923, όταν ήταν ακόµη είκοσι εννιά ετών, ο Χαλντέιν έδωσε µια διάλεξη στο Πανεπιστήµιο του Κέµπριτζ στην οποία προέβλεψε ότι η ενέργεια από υδρογόνο θα αποτελούσε το κάυσιµο του µέλλοντος. Στην συνέχεια, παρουσίασε σε µια επιστηµονική δηµοσίευση τις γενικές αρχές της χρήσης του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας και το πώς µπορούσε να παραχθεί, να αποθηκευτεί και να χρησιµοποιηθεί
Ιστορική Αναδροµή (III) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το υδρογόνο χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά ως καύσιµο στην αεροναυτιλία τις δεκαετίες του 1920 και 1930. Γερµανοί µηχανικοί το χρησιµοποίησαν ως ενισχυτικό καύσιµο στα Ζέπελιν (γερµανικά πηδαλιουχούµενα αερόπλοια που µετέφεραν επιβάτες στις όχθες του Ατλαντικού). Το κυρίως καύσιµο του αερόπλοιου ήταν ένα µείγµα βενζόλης και βενζίνης. Οι κινητήρες ήταν έτσι τροποποιηµένοι ώστε η φυσιολογική απελευθέρωση του υδρογόνου που χρησιµοποιούνταν για να ρυθµίζεται η πλευστότητα του αερόπλοιου µπορούσε να χρησιµοποιηθεί ως έξτρα καύσιµο. Τις δεκαετίες του 1930 και 1940 το υδρογόνο χρησιµοποιούνταν ήδη στη Γερµανία και την Αγγλία ως πειραµατικό καύσιµο αυτοκινήτων, φορτηγών, τρένων, ακόµη και υποβρυχίων και τορπιλών χωρίς ίχνη
Ιστορική Αναδροµή (IV) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σήµερα παράγονται περίπου τετρακόσια δισεκατοµµύρια κυβικά µέτρα υδρογόνου παγκοσµίως - ποσότητα αντίστοιχη περίπου µε το 10% της παγκόσµιας παραγωγής πετρελαίου το 1999. Μεγάλο µέρος αυτών των ποσοτήτων χρησιµοποιείται ως χηµική πρώτη ύλη για την παραγωγή προιόντων όπως αµµωνιούχα λιπάσµατα και στην υδρογόνωση βρώσιµων οργανικών ελαίων που παράγονται από σόγια, ψάρια, φιστίκια και καλαµπόκι. Το υδρογόνο χρησιµοποιείται επίσης για την µετατροπή ρευστών ελαίων σε µαργαρίνη. Το υδρογόνο χρησιµοποιείται εξάλλου και στην παραγωγή πολυπροπυλενίου και για την ψύξη γεννητριών και κινητήρων. Παρότι το υδρογόνο έχει χρησιµοποιηθεί ευρέως ως πρώτη ύλη στη διαδικασία ραφιναρίσµατος καθώς και στην παραγωγή µιας σειράς προιόντων, η αξία του ως καύσιµο ως επί το πλείστον αγνοήθηκε στη µεταπολεµική περίοδο, παρά τις πρώτες επιτυχίες που σηµειώθηκαν σε πειραµατικό στάδιο τις δεκαετίες του 1920 και 1930 στους τοµείς της αεροναυτιλίας και της αυτοκίνησης.
Ιστορική Αναδροµή (V) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μόλις ξέσπασε η πετρελαική κρίση του 1973 επιστήµονες, µηχανικοί και κυβερνήσεις αποφάσισαν τελικά να επανεξετάσουν του υδρογόνο ως µορφή ενέργειας γενικής χρήσης. Τη χρονιά εκείνη, η πρώτη ιεθνής ιάσκεψη για το Υδρογόνο πραγµατοποιήθηκε στο Μαιάµι, ενώ ιδρύθηκε η ιεθνής Ένωση για την Ενέργεια Υδρογόνου. Μια µικρή οµάδα ένθερµων φίλων του υδρογόνου, οι οποίοι αυτοαποκαλούνταν Ροµαντικοί του Υδρογόνου άρχισε να προωθεί τις ιδέες της στο χώρο της βιοµηχανίας ενέργειας, ελπίζοντας να κερδίσει νέους υποστηρικτές του οράµατος του υδρογόνου. Ο Νεγιάτ Βεζίρογλου, πρόεδρος της ένωσης και µέλος της οµάδας, περιέγραψε συνοπτικά τον ενθουσιασµό που επικρατούσε τότε, δηλώνοντας µε πειποίθηση ότι το υδρογόνο αποτελούσε µόνιµη λύση στην εξάντληση των συµβατικών καυσίµων [και ] µόνιµη λύση στο παγκόσµιο περιβαλλοντικό πρόβληµα
Ιστορική Αναδροµή (VI) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι κυβερνήσεις των ΗΠΑ και άλλων χωρών άρχισαν να επενδύουν µικρά ποσά από δηµόσια κονδύλια στην έρευνα για το υδρογόνο. Το αµερικανικό πρόγραµµα δεν ξεπέρασε ποτέ τα 24 εκατοµµύρια δολάρια. Η Ευρωπαική Οικονοµική Κοινότητα διέθεσε ποσά που ανέρχονταν από 72 έως 84 εκατοµµύρια δολάρια στην έρευνα του υδρογόνου τη δεκαετία του 1970. Καθώς η πετρελαική κρίση σταδιακά αποκλιµακώθηκε και οι τιµές του πετρελαίου άρχισαν να υποχωρούν στα παγκόσµια χρηµατιστήρια τη δεκαετία του 1980, η κυβερνητική χρηµατοδότηση για την έρευνα του υδρογόνου µειώθηκε σηµαντικά. Το ενδιαφέρον για το υδρογόνο άρχισε να ανανεώνεται κατά τη δεκαετία του 1990, µετά τη δηµοσίευση ανησυχητικών ερευνών και εκθέσεων που προειδοποιούσαν ότι οι εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίµων αύξαναν τη θερµοκρασία του πλανήτη και ενδεχοµένως αποτελούσαν θανάσιµη απειλή για τη βιόσφαιρα της Γης. Όλο και µεγαλύτερος αριθµός επιστηµόνων άρχισε να κάνει λόγο για τη σκοπιµότητα της µετάβασης από τα καύσιµα που αποτελούνταν από υδρογονάνθρακες στο υδρογόνο ως έναν τρόπο αντιµετώπισης του προβλήµατος του φαινοµένου του θερµοκηπίου
Ιστορική Αναδροµή (VII) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το 1988 η Σοβιετική Ένωση τροποποίησε µε επιτυχία ένα επιβατικό αεροσκάφος, ώστε να κινείται εν µέρει µε υγρό υδρογόνο και την ίδια χρονιά ο Αµερικάνος Γουίλιαµ Κόνραντ έγινε ο πρώτος άνθρωπος που πέταξε µε αεροσκάφος που κινούνταν αποκλειστικά µε υγρό υδρογόνο. Το 1992, το Ινστιτούτο Ηλιακών Ενεργειακών Συστηµάτων Fraunhofer στη Γερµανία δηµιούργησε την πρώτη ηλιακή κατοικία, χρησιµοποιώντας υδρογόνο για τη µακροπρόθεσµη αποθήκευση της ενέργειας. Την επόµενη χρονιά η Ιαπωνία διέθεσε 2 δισεκατοµµύρια δολάρια σε ένα πρόγραµµα διάρκειας τριάντα ετών για την προώθηση της ενέργειας από υδρογόνο σε ολόκληρο τον κόσµο. Το 1994, τα πρώτα υδρογονοκίνητα λεωφορεία βγήκαν στους δρόµους της Χέελ, στο Βέλγιο. Η υπηρεσία µεταφορών του Σικάγο ξεκίνησε να δοκιµάζει τα δικά της υδρογονοκίνητα λεωφορεία ένα χρόνο αργότερα. Ο όµιλος εταιρειών Royal Dutch/Shell έκανε τα πρώτα δειλά βήµατα στην εποχή του υδρογόνου το 1998, συστήνοντας µια Οµάδα Υδρογόνου, προκειµένου να διερευνήσει επιχειρηµατικές προοπτικές και ένα χρόνο αργότερα δηµιούργησε τµήµα υδρογόνου.
Ιστορική Αναδροµή (VIII) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το Φεβρουάριο του 1999 η Ισλανδία ανακοίνωσε ένα φιλόδοξο και τολµηρό µακροπρόθεσµο σχέδιο που στόχο είχε να µετατρέψει τη χώρα στην πρώτη οικονοµία υδρογόνου στον κόσµο, εξαλείφοντας ουσιαστικά τις ανάγκες της χώρας σε ορυκτά καύσιµα. Το σχέδιο προβλέπει αρχικά τη µετατροπή του στόλου των αυτοκινήτων, φορτηγών, λεωφορείων και αλιευτικών σκαφών της χώρας σε υδρογονοκίνητα και στη συνέχεια µέσα σε σύντοµο χρονικό διάστηµα τη χρήση υδρογόνου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την παροχή θέρµανσης, φωτισµού και ενέργειας για τα εργοστάσια, τα γραφεία και τις κατοικίες. Η Ισλανδία ήδη αποκαλείται Μπαχρέιντ του Βορρά και γίνεται λόγος για την εξαγωγή υδρογόνου από εκεί στην Ευρώπη σε µεταγενέστερο στάδιο, καθιστώντας τη χώρα τον πρώτο εξαγωγέα υδρογόνου στον κόσµο.
Ιστορική Αναδροµή (IX) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ένα παρόµοιο σχέδιο βρίσκεται σε εξέλιξη στην πολιτεία της Χαβάης. Η πολιτεία, η οποία εισάγει µεγάλο µέρος του πετρελαίου που καταναλώνει κυρίως από την Ασία και την Αλάσκα µε τάνκερ, ελπίζει να καταστεί ενεργειακά αυτάρκης δεσµεύοντας ικανές ποσότητες γεωθερµικής και ηλιακής ενέργειας µε παράλληλη µετάβαση στη χρήση καυσίµων από υδρογόνο. Οι νοµοθετικές αρχές της πολιτείας ενέκριναν τον Απρίλιο του 2001 µια µικρή επιχορήγηση προκειµένου να ενισχυθεί η δηµιουργία µιας κοινοπραξίας ιδιωτικών και δηµόσιων φορέων για την εκµετάλλευση της ενέργειας από υδρογόνο. Το Πανεπιστήµιο της Χαβάης έλαβε επιπλέον επιχορήγηση 2 εκατοµµυρίων δολαρίων από το αµερικανικό υπουργείο Αµυνας, προκειµένου να προωθήσει το πρίγραµµα που αφορά την χρήση του υδρογόνου.
Ιστορική Αναδροµή (Χ) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αξίζει να σηµειωθεί ότι η General Motors, η µεγαλύτερη εταιρεία κατασκευής αυτοκινήτων στον κόσµο, ήταν η πρώτη που εισήγαγε τον όρο οικονοµία του υδρογόνου. Αυτό συνέβη το 1970, όταν οι µηχανικοί της GM άρχισαν να εξετάζουν το υδρογόνο ως πιθανό καύσιµο του µέλλοντος. Τριάντα χρόνια αργότερα, όταν πολλές πρωτοπόρες προσπάθειες είχαν αρχίσει να αποδεικνύουν τη βιωσιµότητα ενός µέλλοντος στηριγµένου στο υδρογόνο, ο διευθυντής του τµήµατος Οχηµάτων Προηγµένης Τεχνολογίας της GM, Ρόµπερτ Πάρσελ, µιλώντας στην ετήσια σύνοδο της Εθνικής Ένωσης Πετροχηµικών και ιυλιστηρίων των ΗΠΑ, τον Μάιο του 2000, είπε στα µέλη ότι το µακροπρόθεσµο όραµά µας στοχεύει σε µια οικονοµία του υδρογόνου
Υ ΡΟΓΟΝΟ (I) Το υδρογόνο διαθέτει τις δυνατότητες και τις προοπτικές να γίνει το καύσιµο του µέλλοντος. Αποτελεί ελκυστική πηγή ενέργειας για την αντικατάσταση των συµβατικών καυσίµων από περιβαλλοντική και οικονοµική άποψη. Θεωρείται αδιάκοπη πηγή παροχής καθαρής ενέργειας και κατά τη χρήση του ως καύσιµο δεν παράγονται ρύποι ενώ παράγεται νερό το οποίο ανακυκλώνεται για την παραγωγή περαιτέρω υδρογόνου. Η σηµασία του έγκειται, γενικά, στη µεγάλη ενεργειακή πυκνότητα του, καθώς και στο ότι είναι ένα καθαρό καύσιµο Η χρήση υδρογόνου µπορεί να δηµιουργήσει ελευθερία στα καύσιµα µεταφορών κατά τον ίδιο τρόπο µε τον οποίο το διαδίκτυο κατέστησε διαθέσιµη την πληροφορία σε κάθε κάτοχο ενός υπολογιστή και µιας τηλεφωνικής γραµµής
Υ ΡΟΓΟΝ (II) Με τον όρο οικονοµία υδρογόνου ονοµάζουµε την υποδοµή για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών βασισµένη στο υδρογόνο. Περικλείει τις έννοιες της παραγωγής, της αποθήκευσης και της χρήσης του
Υ ΡΟΓΟΝΟ (III) Επιπλέον, αν η παραγωγή του βασιστεί σε ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), οι παραπάνω διαδικασίες αποτελούν µέρη µιας καθαρής από ρύπους, κυκλικής διαδικασίας, το λεγόµενο κύκλο του υδρογόνου
Υ ΡΟΓΟΝΟ (IV) ΚΑΘΑΡΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η οικονοµία υδρογόνου είναι µία κοινωνία στην οποία το υδρογόνο χρησιµοποιείται εκτενώς. 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, από αποθήκευση του παραγόµενου υδρογόνου µε φυσικές ή χηµικές µεθόδους και από µετατροπή της ενέργειας η οποία φέρεται από το υδρογόνο σε ηλεκτρική ενέργεια και θερµότητα στο σηµείο ζήτησης. Το υδρογόνο είναι ενδιάµεση µορφή ενέργειας σε ένα σύστηµα µετατροπής ενέργειας Παρόλο που η παραπάνω εικόνα είναι ελκυστική, προς το παρόν, αρκετά επιστηµονικά και τεχνικά θέµατα πρέπει πρώτα να επιλυθούν. Κάθε τοµέας της οικονοµίας υδρογόνου 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 αντικατάσταση της υπάρχουσας υποδοµής µε µία νέα, στηριζόµενη στο υδρογόνο
ρ. Μαρία Γούλα, Επ.. Καθηγήτρια
Ιδιότητες Χαρακτηριστικά του υδρογόνου (I) Το υδρογόνο είναι το πιο διαδεδοµένο στοιχείο στο σύµπαν και το τρίτο πιο άφθονο στο φλοιό της γης µέχρι βάθους 16 Kg. Αποτελεί περίπου το 90% του σύµπαντος ως προς τη µάζα του, παρόλο που είναι το ελαφρύτερο στοιχείο. Είναι µέρος κάθε ζωντανού οργανισµού και κάθε σταγόνας νερού. Χωρίς το υδρογόνο δεν θα µπορούσε να υπάρχει ζωή. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του είναι: o άοσµο o άχρωµο o δυσδιάλυτο στο νερό o ελαφρύτερο από τον αέρα o εύφλεκτο o εκρηκτικό o όταν καίγεται σχηµατίζει νερό
ΣΗΜΕΙΟ ΤΗΞΕΩΣ, Κ 13,96 ΣΗΜΕΙΟ ΒΡΑΣΜΟΥ (1 atm), Κ 20,39 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΤΗΞΕΩΣ (14Κ), cal/g 14,0 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΤΜΙΣΗΣ (20,4 Κ), cal/g 107,0 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΩΣ ΣΤΕΡΕΟ ΑΛΛΕΣ 4,2 Κ, g/cm 3 0,089 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΩΣ ΥΓΡΟ ΑΛΛΕΣ 20,4 Κ, g/cm 3 0,071 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΩΣ ΑΕΡΙΟ (0 o C, 1 atm), g/cm 3 8,99 x 10-5 ΕΙ ΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΑΕΡΙΟΥ (ΑΕΡΑΣ = 1,0) 0,0695 ΚΡΙΣΙΜΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ, Κ 33,3 ΚΡΙΣΙΜΗ ΠΙΕΣΗ, atm 12,8 ΚΡΙΣΙΜΟΣ ΟΓΚΟΣ, cm 3 /mol 65,0 ΚΡΙΣΙΜΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ, g/cm 3 0,031 ΕΙ ΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΥΠΟ ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΙΕΣΗ ΩΣ ΥΓΡΟ ΑΛΛΕΣ 1,93 17,2 Κ, C P, cal/g ΕΙ ΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΥΠΟ ΣΤΑΘΕΡΗ ΠΙΕΣΗ ΩΣ ΣΤΕΡΕΟ ΑΛΛΕΣ 13,4 Κ, C P, cal/g 0,63 ΕΙ ΙΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΥΠΟ ΣΤΑΘΕΡΟ ΟΓΚΟ, C V (0-200 o C), cal/g 2,46 ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ 25 o C, cal/cm-s- o C 0,00044 ΙΞΩ ΕΣ (25 o C, 1 atm) cp 0,0089 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΥΣΗΣ ΑΛΛΕΣ 25 o C, Kcal/gmol 57,7976 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΦΛΟΓΑΣ 2,483 ΟΡΙΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΣΕ ΑΕΡΑ 4 ΩΣ 74 ΟΡΙΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΣΕ ΟΞΥΓΟΝΟ 4 ΩΣ 94 ΠΙΝΑΚΑΣ 1.4: Φυσικοχηµικές ιδιότητες του υδρογόνου [1]
Ιδιότητες Χαρακτηριστικά του υδρογόνου (II) Οι ιδιότητες του υδρογόνου ως καυσίµου παρουσιάζονται στον ΠΙΝΑΚΑ 1.5 και συγκρίνονται µε τις αντίστοιχες ιδιότητες άλλων καυσίµων, όπως το µεθάνιο, το προπάνιο και η βενζίνη. Η ταχύτητα φλόγας είναι ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά της διεργασίας καύσης. Η µεγάλη ταχύτητα φλόγας του υδρογόνου συµβάλει σηµαντικά στη µεγάλη απόδοση των µηχανών, ενώ το µεγάλο παράθυρο στα όρια ανάφλεξης και ο µεγάλος συντελεστής διαχυτότητας επιτρέπουν την καύση υπό συνθήκες «φτωχού» οξυγόνου, το οποίο επίσης αυξάνει την απόδοση και ταυτόχρονα µειώνει την παραγωγή οξειδίων του αζώτου (ΝΟX). Όµως, η µικρή ενέργεια ανάφλεξης του υδρογόνου δηµιουργεί πρόβληµα πρώιµης ανάφλεξης σε µίγµατα υδρογόνου αέρα [1].
Ι ΙΟΤΗΤΑ Υ ΡΟΓΟΝΟ ΜΕΘΑΝΙΟ ΠΡΟΠΑΝΙΟ ΒΕΝΖΙΝΗ ΕΙ ΙΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ (ΑΕΡΑΣ = 1,0) ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΣΕ ΑΕΡΑ, STP (cm 2 /s) ΙΑΧΥΤΟΤΗΤΑΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΙΑΧΥΣΗΣ ΣΕ ΑΕΡΑ, STP (cm/s) ΟΡΙΑ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΣΕ ΑΕΡΑ, (% ΚΑΤ ΟΓΚΟΝ) 0,07 0,55 1,52 4,0 0,61 0,16 0,1 0,05 2 0,51 0,34 0,34 4-74 5,3-15 2,1-10,4 1-7,6 ΟΡΙΑ ΕΚΡΗΞΗΣ ΣΕ ΑΕΡΑ (% ΚΑΤ 18,3-59 6,3-13,5 3,4-35 1,1-3,3 ΟΓΚΟΝ) ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΑΝΑΦΛΕΞΗΣ ΣΕ ΑΕΡΑ, (mj) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΥΤΟΑΝΑΦΛΕΞΗΣ (Κ) ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΦΛΟΓΑΣ ΣΕ ΑΕΡΑ (Κ) ΜΕΓΙΣΤΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΦΛΟΓΑΣ ΣΕ ΑΕΡΑ (cm/s) ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ (MJ/m 3 ) ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΚΟΥ 0,02 0,29 0,31 0,24 858 813 740 501-744 2318 2148 2243 2470 278 37-45 43-52 37-43 3,58 3,58 3,79 3,91 ΠΙΝΑΚΑΣ 1.5: Ιδιότητες του υδρογόνου και άλλων κοινών καυσίµων [1]
Ιδιότητες Χαρακτηριστικά του υδρογόνου (III) Το υδρογόνο αν και έχει τη µεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα βάρους έχει τη µικρότερη πυκνότητα και εποµένως τη µικρότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά µονάδα όγκου σε σχέση µε τα υπόλοιπα καύσιµα (ΠΙΝΑΚΑΣ 1.6). Ο λόγος ενέργειας ανά όγκο για το υδρογόνο αντιστοιχεί στο ¼ αυτού του πετρελαίου και στο 1/3 αυτού του φυσικού αερίου ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΦΟΡΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΑΝΑ ΜΟΝΑ Α ΒΑΡΟΥΣ (kwh/kg) ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΑΝΑ ΜΟΝΑ Α ΟΓΚΟΥ (kwh/lt) Υ ΡΟΓΟΝΟ 33,3 0,53 ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 13,9 2,6 LPG 12,9 7,5 ΜΕΘΑΝΟΛΗ 5,6 4,4 ΒΕΝΖΙΝΗ 12,7 8,7 ΠΙΝΑΚΑΣ 1.6: Σύγκριση ενεργειακών φορέων [41] ρ. Μαρία Γούλα, Επ. Καθηγήτρια
Ευρωπαϊκές πρωτοβουλίες Ερευνητικοί φορείς (I) Το Σεπτέµβριο του 2003 επικυρώθηκε από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή το Σχέδιο Ευρωπαϊκής Τεχνολογίας Υδρογόνου και Κελιών Καυσίµου (Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform HFP) καθώς και όλες οι παράλληλες δράσεις και πρωτοβουλίες που στοχεύουν στην ανάπτυξη της ολοκληρωµένης στρατηγικής για την ταχεία µετάβαση στην οικονοµία του υδρογόνου στην Ευρώπη. Ο κύριος στόχος του σχεδίου είναι να διευκολύνει την ανάπτυξη και την επέκταση συστηµάτων που στηρίζονται στο υδρογόνο και στα κελιά καυσίµου µε εφαρµογή τις µεταφορές και την ενέργεια. Αυτό θα επιτευχθεί, κάτι που προβλέπεται από το σχέδιο, µε τη συνεργασία των Ευρωπαϊκών, Εθνικών, Περιφερειακών και Τοπικών ερευνητικών και αναπτυξιακών προγραµµάτων.
Ευρωπαϊκές πρωτοβουλίες Ερευνητικοί φορείς (II) Βασικά προγράµµατα που υλοποιούνται στην Ευρωπαϊκή Ένωση είναι τα παρακάτω Πρόγραµµα CUTE: σκοπός του είναι η ανάδειξη και επίτευξη ενός συστήµατος µεταφορών µε µηδαµινές εκποµπές συµπεριλαµβανοµένης των συνοδευόµενων ενεργειακών υποδοµών για την υποστήριξη της. Το αποτέλεσµα θα είναι η υποστήριξη της δηµόσιας και εµπορικής αποδοχής ενός συστήµατος µεταφορών µε κυψελίδες καυσίµου υδρογόνου Πρόγραµµα BIOFEAT: σκοπός του είναι η µείωση των εκποµπών των οχηµάτων, η αύξηση της οικονοµίας καυσίµου και η προώθηση της χρήσης ανανεώσιµων καυσίµων Πρόγραµµα RENEWABLE H2: σκοπός του είναι η αναγνώριση ευκαιριών για την ενσωµάτωση των δραστηριοτήτων ανανεώσιµου υδρογόνου, καθώς και η αξιολόγηση ευρωπαϊκών δραστηριοτήτων ανανεώσιµου υδρογόνου και των εµπλεκόµενων οργανισµών Πρόγραµµα EIHP 2: σκοπός του είναι η παροχή στοιχείων για ρυθµιστικές δραστηριότητες σε επίπεδο ΕΕ, για «καθαρά» και ασφαλή οχήµατα υδρογόνου στους ευρωπαϊκούς δρόµους Πρόγραµµα HyApproval: σκοπός του είναι η παροχή ενός εγχειριδίου που θα περιλαµβάνει τεχνικές απαιτήσεις και κανονισµούς ώστε να βοηθήσει τις αρµόδιες αρχές, τις εταιρίες και τους οργανισµούς. Είναι η πιο πρόσφατη ενέργεια της Ευρωπαϊκής Ένωσης και προέκυψε ως άµεση συνέπεια των προσδοκιών του Σχεδίου Ευρωπαϊκής Τεχνολογίας Υδρογόνου και Κελίων Καυσίµου
Στα πλαίσια του Σχεδίου Ευρωπαϊκής Τεχνολογίας Υδρογόνου και Κελιών Καυσίµου προβλέπεται η δηµιουργία µιας ερευνητικής οµάδας που απαρτίζεται από µη κερδοσκοπικούς δηµόσιους ερευνητικούς οργανισµούς, πανεπιστήµια και ερευνητικά κέντρα. Ήδη συµµετέχουν σαράντα ερευνητικοί οργανισµοί µε πάνω από δεκαπέντε χώρες, εκπροσωπούµενοι από χίλιους πεντακόσιους ερευνητές που καλύπτουν όλα τα πεδία της έρευνας και της ανάπτυξης που σχετίζεται µε κελιά καυσίµου και υδρογόνο. Αντίστοιχα και η Ελλάδα, βασιζόµενη κυρίως στο ερευνητικό και ακαδηµαϊκό δυναµικό της, έχει καταφέρει να συµβάλει στην ανάπτυξη ευρωπαϊκής τεχνογνωσίας, υλικών και προϊόντων στο χώρο του υδρογόνου και των κυψελών καυσίµου
ΜΕΘΟ ΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥΣ (I) Εισαγωγή Οικονοµικά στοιχεία Το υδρογόνο, αν και υπάρχει σε πολύ µεγάλες ποσότητες στη φύση, δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί άµεσα ως καύσιµο επειδή βρίσκεται ενωµένο ισχυρά µε άλλα άτοµα, κυρίως µε το οξυγόνο και τον άνθρακα. Για να αποσπαστεί από τις ενώσεις του απαιτείται δαπάνη ενέργειας η οποία είναι σηµαντική. Μπορεί να παραχθεί από φυσικά υλικά τα οποία το περιέχουν, όπως το νερό, το φυσικό αέριο, το πετρέλαιο, ο άνθρακας (κάρβουνο), καθώς επίσης και από κυτταρίνη και σάκχαρα. Οι κυριότεροι δρόµοι µέσα από τους οποίους µπορεί να παραχθεί το υδρογόνο παρουσιάζονται στο Σχ 2.1 Πρέπει να τονιστεί ότι τόσο το τεχνολογικό υπόβαθρο όσο και το κόστος παραγωγής της κάθε διεργασίας είναι πολύ διαφορετικό. Το περισσότερο υδρογόνο που παράγεται σήµερα, περίπου 500 δισεκατοµµύρια κυβικά µέτρα το χρόνο, παράγεται από φυσικό αέριο και πετρέλαιο. Το υδρογόνο παράγεται, κυρίως, είτε από φυσικό αέριο, είτε µε αναµόρφωση ορυκτών καυσίµων (επεξεργασία υδρογονανθράκων, Η/C), είτε µε ηλεκτρόλυση νερού, είτε από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Οι τρόποι παραγωγής υδρογόνου που φαίνεται ότι είναι περισσότερο αποδοτικοί είναι οι παρακάτω:
Μέθοδοι Παραγωγής Υδρογόνου Ντίζελ Φυσικό αέριο Βιοµάζα Άνθρακας Βιοµάζα Ηλιακή Ενέργεια Πυρηνική Ενέργεια Ηλιακή Ενέργεια Πυρηνική Ενέργεια Ηλιακή Ενέργεια Υδροηλεκτρική Ενέργεια Αιολική Ενέργεια Κυµατική Ενέργεια Γεωθερµική Ενέργεια Βιολογικές Τεχνικές Βιοκαύσιµα Αεριοποίηση Αναµόρφωση Φωτο-ηλεκτροχηµική διάσπαση νερού Θερµο-χηµική διάσπαση νερού Ηλεκτρική Ενέργεια Ηλεκτρόλυση Υ ΡΟΓ ΓΟΝΟ
Υδρογόνο από φυσικό αέριο: το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί από φυσικό αέριο µε τη βοήθεια τριών διαφορετικών χηµικών διαδικασιών, µε αναµόρφωση φυσικού αερίου (Steam Methane Reforming SMR), µε µερική οξείδωση φυσικού αερίου (Partial oxidation POX) και µε αυτόθερµη αναµόρφωση (Autothermal reforming ATR). Είναι η µέθοδος που σήµερα µπορεί να δώσει υδρογόνο µε το χαµηλότερο κόστος Υδρογόνο από άνθρακα ή πετρέλαιο: η µέθοδος αυτή συνίσταται στην αεριοποίηση του άνθρακα ή των υδρογονανθράκων σε θερµοκρασίες 1300-1400 οc και πιέσεις 10 100 bar. Αντιµετωπίζει όµως πολλά τεχνικά προβλήµατα και έχει µεγάλο κόστος Υδρογόνο από ηλεκτρόλυση νερού: η µέθοδος αυτή είναι η παλαιότερη και µε πολύ καλή απόδοση (55 55% σήµερα µε προοπτική να φτάσει το 70%). Ωστόσο, χρειάζεται ηλεκτρικό ρεύµα, άρα το κόστος του υδρογόνου καθορίζεται από το κόστος του ηλεκτρικού ρεύµατος. Εκεί που η ηλεκτρόλυση είναι κυρίαρχη µέθοδος, είναι στην παραγωγή υδρογόνου από αιολική ή ηλιακή ενέργεια. Παρόλα αυτά όµως, το κόστος παραγωγής παραµένει ακόµα πολύ υψηλό Υδρογόνο από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας ΑΠΕ: είναι η µέθοδος που είναι η περισσότερο ελπιδοφόρα, τουλάχιστον σε ότι αφορά την ρύπανση του περιβάλλοντος και την διάρκεια των πηγών (ΣΧΗΜΑ 2.2) Στο ΣΧΗΜΑ 2.4 παρουσιάζονται οι δρόµοι προς το υδρογόνο από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας
ΕΚΠΟΜΠΕΣ ΙΟΞΕΙ ΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΕΚΠΟΜΠΕΣ CO2 (K Kg/MWh) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 Giothermal Biomass Wind Landfill Gas Solar PV Gas Assisted Solar Thermal Natural Gas 0 1 ΠΗΓΗ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ
ΕΙ ΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΟΣΤΟΣ ($/KJ) ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΑ (ΑΕΡΙΟ Η 2 ) 5-8 ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΑ (ΥΓΡΟ Η 2 ) 12-15 ΑΛΛΕΣ ΟΡΥΚΤΕΣ ΠΗΓΕΣ 10-12 (ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΘΡΑΚΑ, POX) ΑΕΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 9-13 ΙΚΤΥΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΟΣΤΟΣ ($/KJ) ΑΝΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΑ (on site) 16-19 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ (δίκτυο ηλεκτρικής 10-20 ενέργειας) ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ (αιολική ενέργεια) 20-40 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ (ηλιακή ενέργεια) 40-60 ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ (φωτοβολταϊκή 50-100 ενέργεια)