Πανεπιστήμιο Πατρών Πολυτεχνική σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών Ακαδημαϊκό Έτος 2007-20082008 Μάθημα: Οικονομία Περιβάλλοντος για Οικονομολόγους Διδάσκων:Σκούρας Δημήτριος

ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΝΙΟΥΛΙΚΟΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Α.Μ. 2509 ΠΑΝΟΠΟΥΛΟΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ Α.Μ. 2464

ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Προκειμένου να μελετήσουμε το υδρογόνο στο ρόλο του καυσίμου πρέπει να έχουμε καλή γνώση της ίδια της φύσης του. Παρακάτω αναφέρονται συνοπτικά κάποιες βασικές ιδιότητες του. Το υδρογόνο σε θερμοκρασία δωματίου, βρίσκεται σε αέρια φάση. Είναι άοσμο, άχρωμο και εύφλεκτο. Όταν αέριο υδρογόνο καίγεται, σχηματίζεται νερό. Το όνομα του στοιχείου αυτού δόθηκε από το Γάλλο χημικό Antoine Lavoisier και έχει ρίζες τις λέξεις της αρχαίας ελληνικής γλώσσας "ύδωρ" και "γένομαι".

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΙΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Κατά τα πρώιμα στάδια της ανθρώπινης δραστηριότητας η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών γινόταν αποκλειστικά με εκμετάλλευση της βιομάζας. Στα τέλη του 18ου αιώνα με την ανακάλυψη της ατμομηχανής δημιουργήθηκε η ανάγκη εύρεσης ενέργειας υπό τη μορφή κάρβουνου. Το κάρβουνο αργότερα συμπληρώθηκε με τη χρήση πετρελαίου και φυσικού αερίου, όλα μεγάλης περιεκτικότητας σε άνθρακα.

Το CO 2 το οποίο παράγεται όπως γνωρίζουμε είναι υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου με αποτέλεσμα την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως συνέπεια την απελευθέρωση ακόμα περισσότερου CO 2 το οποίο βρίσκεται διαλυμένο στο νερό των ωκεανών, καθώς η διαλυτότητα του είναι αντιστρόφως ανάλογη της θερμοκρασίας. Επιπλέον, μέσα στον τελευταίο αιώνα ο πληθυσμός της γης αυξήθηκε κατά ένα παράγοντα 6 ενώ η ενεργειακή κατανάλωση κατά ένα παράγοντα 80 ενώ υπολογίζεται πως σύντομα η ζήτηση θα υπερκαλύψει την προσφορά στα καύσιμα.

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. Βασιζόμενοι στα παραπάνω οδηγούμαστε αυθόρμητα στο υδρογόνο ως τo μελλοντικό φορέα ενέργειας

Η ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Η οικονομία υδρογόνου αποτελεί μία από τις πιο ελκυστικές λύσεις όσων αφορά την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών στο μέλλον. Μπορούμε να τη φανταστούμε σαν ένα συνδεμένο δίκτυο: από χημικές διεργασίες οι οποίες παράγουν υδρογόνο από φυσικά καύσιμα, τη βιομάζα ή την ηλεκτρόλυση του νερού αποθήκευσης του παραγόμενου υδρογόνου με φυσικές ή χημικές μεθόδους μετατροπή της ενέργειας της οποίας φέρεται από το υδρογόνο σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα στο σημείο ζήτησης

Επιπλέον, σε συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, το υδρογόνο κατά την παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του αποτελεί την κινητήρια δύναμη μίας καθαρής από ρύπους, κυκλικής διεργασίας. 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 πετύχει έναν κύκλο παραγωγής ενέργειας μεγάλης απόδοσης και ελάχιστων ρύπων.

Παρόλο που το παραπάνω μοντέλο φαίνεται ιδιαίτερα ελκυστικό, θα πρέπει πρώτα να επιλυθούν θέματα που έχουν να κάνουν με επιστημονικά και τεχνικά θέματα. Προς το παρών δεν μπορούμε να πούμε ότι το υδρογόνο έχει γίνει συγκρίσιμο με αυτό των σύγχρονων πηγών ενέργειας με τελικό στόχο την πλήρη αντικατάστασης της υπάρχουσας υποδομής με μία νέα, στηριζόμενη στο υδρογόνο, και αυτό γιατί πρώτα πρέπει να επιλυθούν θέματα που έχουν να κάνουν με την αποθήκευση και την εκμετάλλευση του

αλλά και από την άλλη δε 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. 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 τους στη ενέργεια υδρογόνου. Νέα υλικά χρειάζονται για τη χρήση τους σαν μεμβράνες, καταλύτες ή αποθηκευτικά μέσα.

Υλικά προοριζόμενα για την αποθήκευση υδρογόνου ή για ηλεκτρόδια κυψέλων καυσίμου βελτιώνουν την επίδοση τους ραγδαία όταν αυτά αποκτήσουν νανοκρυσταλλική δομή. Η κατάλυση είναι εκ φύσεως παρατηρούμενη στην κλίμακα του νανομέτρου. Κατανοώντας 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.

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΩΣ ΚΑΥΣΙΜΟ Όσων αφορά τώρα τα μειονεκτήματα στη χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο, τα περισσότερα έχουν να κάνουν με την ελλιπή σημερινή υποδομή και αποτελούν κυρίως τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν λύση. Ένα πρόβλημα είναι αυτό της αποθήκευσης του. Δεδομένου του ότι το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητας σε μικρού μεγέθους δεξαμενή είναι

δύσκολη λόγω των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται για να επιτευχθεί η υγροποίηση. Δεύτερο πρόβλημα αποτελεί η έλλειψη οργανωμένου δικτύου διανομής του. Λόγω του παραπάνω και η τιμή του επίσης είναι σχετικά υψηλή σε σύγκριση με αυτή της βενζίνης ή του πετρελαίου. Η περισσότερο διαδεδομένη λόγω χαμηλού κόστους μέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγμή είναι η μετατροπή του φυσικού αερίου, μέθοδος όχι και τόσο φιλική ως προς το περιβάλλον.

Ωστόσο όσο εξελίσσονται και άλλες μέθοδοι, όπως η μετατροπή της αιολικής ενέργειας, το κόστος θα συνεχίσει να μειώνεται. Επίσης αν και στο μεγαλύτερο μέρος των περιπτώσεων το υδρογόνο θεωρείται περισσότερο ασφαλές από οποιοδήποτε άλλο καύσιμο, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να γίνει εξαιρετικά επικίνδυνο. Για παράδειγμα, μπορεί να εκτοπίσει το οξυγόνο ενός χώρου και να δράσει ως ασφυξιογόνο.

Αυξημένη είναι και η τιμή των κυψέλων καυσίμου με τις οποίες αυτή τη στιγμή γίνεται η μεγαλύτερη εκμετάλλευση του υδρογόνου ως καύσιμο. Επιπλέον η τεχνολογία τους δε μπορεί να θεωρηθεί ολοκληρωτικά αξιόπιστη αφού προς το παρόν υπάρχουν αρκετά τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν αξιόπιστες λύσεις. Κυψέλες προσανατολισμένες για οικιακή και μεταφορική χρήση χαρακτηρίζονται από μικρή ανοχή σε καύσιμα μη υψηλής καθαρότητας. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει το κόστος παραγωγής του καυσίμου.

Τέλος το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στη γη ενώ το ενεργειακό περιεχόμενο 0,33 kg ισοδυναμεί με αυτό 1 kg πετρελαίου. Γι αυτούς ακριβώς τους λόγους είναι πολύ σημαντική η παραγωγή υδρογόνου, έτσι δικαιολογείται η σημαντική χρηματοδότηση, για να προωθήσει γρήγορα την τεχνολογία και να υπερνικήσει τα εμπόδια.

ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΚΑΙ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Βραχυπρόθεσμα, τα συμβατικά βενζινοκίνητα οχήματα θ' αντικατασταθούν με υβριδικά, που θα κινούνται με ηλεκτρισμό και βενζίνη, ή με οχήματα που θα καίνε καθαρό πετρέλαιο, φυσικό αέριο, μεθανόλη ή αιθανόλη. Οι περισσότεροι αναλυτές πιστεύουν ότι θα χρειαστούν πολλές δεκαετίες για να γίνει το μεγάλο άλμα στο υδρογόνο, αλλά τελικά ο στόχος θα επιτευχθεί.

Η μαζική παραγωγή αυτοκινήτων με κυψέλες καυσίμου δε θα μειώσει απαραίτητα και το κόστος τους. Εάν προωθούσαμε τη σημερινή τεχνολογία κυψελών καυσίμου σε μαζική παραγωγή κατασκευάζοντας περίπου 500.000 οχήματα το χρόνο, το κόστος τους θα ήταν 6 φορές μεγαλύτερο των συμβατικών. θα πρέπει να γίνει περισσότερη έρευνα πριν δεσμευτούμε σε μια οικονομία του υδρογόνου, η οποία μπορεί να αρχίσει μετά από 25 χρόνια.

Επιπλέον, η οργάνωση μιας απολύτως νέας υποδομής για την διανομή του υδρογόνου θα κόστιζε τουλάχιστον 5.000 δολάρια ανά όχημα. Και μάλιστα θα απαιτηθούν πολλά δισεκατομμύρια δολάρια για την ανάπτυξη των κυψελών καυσίμων του υδρογόνου, που μπορούν να ταιριάξουν με την απόδοση των σημερινών μηχανών της βενζίνης. Τα οχήματα με καύσιμο υδρογόνου έχουν χαμηλές εκπομπές και μικρή κατανάλωση ενέργειας στο δρόμο, αλλά η μετατροπή ενός ορυκτού καυσίμου, όπως το φυσικό αέριο ή η βενζίνη σε υδρογόνο σαν καύσιμο οχημάτων

απαιτεί σημαντικά ποσά ενέργειας και συνεπώς αυξάνει τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου. Ο Αμερικανός Πρόεδρος George Bush έχει ήδη προτείνει ένα πενταετές σχέδιο, κόστους 1,7 δισεκατομμύριων δολαρίων για την ανάπτυξη της τεχνολογίας κυψελών υδρογόνου, μια υποδομή για το υδρογόνο και προηγμένες τεχνολογίες στα αυτοκίνητα. Σύμφωνα με αυτό το σχέδιο, θα πρέπει οι βιομηχανίες μέχρι το 2020 να είναι 2020 να είναι ικανές να παράγουν οικονομικώς αποδοτικά αυτοκίνητα και σε μεγάλους αριθμούς.

Οι βελτιώσεις στα σημερινά αυτοκίνητα και για τους τρέχοντες περιβαλλοντικούς κανόνες, είναι περισσότερο από 100 φορές φτηνότερα, από όσο τα αυτοκίνητα υδρογόνου στη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Και για αρκετές δεκαετίες, η οικονομικώς πιο αποδοτική μέθοδος για τη μείωση στις εισαγωγές του πετρελαίου και στις εκπομπές του CO 2 από τα αυτοκίνητα, θα είναι η αύξηση της αποδοτικότητας των καυσίμων.

Επομένως στο άμεσο μέλλον δεν θα δούμε αμάξια υδρογόνου στους δρόμους. Ωστόσο θα πρέπει να γίνει σοβαρή έρευνα για καλύτερη τεχνογνωσία παραγωγής υδρογόνου αλλά και οικονομικές μελέτες ώστε να είμαστε προετοιμασμένοι για την μετάβαση από την εποχή του μαύρου χρυσού στην εποχή του υδρογόνου. Αυτοκίνητο Υδρογόνου