Ενεργειακή Οικονομία του Υδρογόνου και Κυψέλες Καυσίμου Κώστας Αθανασίου Λέκτορας του Τμ. Μηχ. Περιβάλλοντος, Δ.Π.Θ email: kathan@env.duth.gr Τμ. Μηχανικών Περιβάλλοντος Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών στην Περιβαλλοντική Μηχανική και Επιστήμη

Κλιματική Αλλαγή Understanding and Responding to Climate Change, 2008 edition US National Academy of Sciences US National Academy of Engineering National Research Council

Κλιματική Αλλαγή 10 Gtoe/a 80 % από ορυκτά καύσιμα 30 Gtn CO2/a Παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο (παραγωγή = κατανάλωση + απώλειες): 10 Gtoe/a   πετρέλαιο 36 % (3 tnCO2/toe) γαιάνθρακες 23 % (4 tnCO2/toe) φυσικό αέριο 21 % (2 tnCO2/toe) ΑΠΕ 13 % βιομάζα: 10,5 % Υ/Η: 2,2 % άλλες: 0,3 % ουράνιο 7 % 80 % από ορυκτά καύσιμα 30 Gtn CO2/a ΑΣΚΗΣΗ Συγκέντρωση CO2 : 400 ppm Ποσότητα CO2 : 3 Τtn Αν ο ρυθμός έκλυσης CO2 συνεχίσει να αυξάνεται με 2 %/a, σε πόσα χρόνια η μέση θερμοκρασία του πλανήτη θα αυξηθεί κατά 3 oC ; αύξηση της θερμοκρασίας T, oC με την αύξηση της συγκέντρωσης CO2 400 ppm 500 ppm 600 ppm 700 ppm

Κλιματική Αλλαγή Απάντηση: σε 30 – 40 χρόνια Νέα Ορλεάνη 2005 Ρωσία Απάντηση: σε 30 – 40 χρόνια Νέα Ορλεάνη 2005 Ρωσία 2010 Ελλάδα 2007 Πακιστάν 2010 Άνοδος της στάθμης της θάλασσας

Αντικατάσταση ενεργειακών υποδομών αξίας > 50 τρις € Κλιματική Αλλαγή Παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο: 10 Gtoe/a   35 % απώλειες (κυρίως από την θερμική ηλεκτροπαραγωγή – δεν λαμβάνονται υπόψη οι ενεργειακές απώλειες κατά τις μεταφορές) 30 % (50 %) θερμότητα 20 % (30 %) καύσιμα για μεταφορές 15 % (20 %) ηλεκτρισμός Αντιμετώπιση Αύξηση του μεριδίου των ΑΠΕ (20 % το 2020)   Εξοικονόμηση (ελάττωση θερμικής κατανάλωσης κατά 20 %) Επέκταση της συμπαραγωγής Αύξηση ενεργειακής απόδοσης ηλεκτροπαραγωγής/μεταφορών Αντικατάσταση ενεργειακών υποδομών αξίας > 50 τρις € (παγκόσμιο ΑΕΠ: 75 τρις)

… αύξηση της ενεργειακής απόδοσης … στις μεταφορές Σήμερα η απόδοση των οχημάτων οδικής μεταφοράς (το πηλίκο του παραγόμενου έργου προς τη θερμογόνο δύναμη του καταναλισκόμενου καυσίμου) είναι μικρότερη από 20 %, κυρίως γιατί οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, στην περιοχή ονομαστικής ισχύος 50 – 100 kW, παρουσιάζουν αποδόσεις της τάξης του 20 – 25 %. Αύξηση της απόδοση των κινητήρων αυτών σε 40 – 50 %, οδηγεί σε υποδιπλασιασμό της συμμετοχής των μεταφορών στο παγκόσμιο ενεργειακό ισοζύγιο και ελαττώνει την έκλυση CO2 κατά 10 % Συγκριτικά, ο στόχος 20-20-20 οδηγεί σε παραπλήσια ελάττωση των εκπομπών CO2  

… αύξηση της ενεργειακής απόδοσης … στην ηλεκτροπαραγωγή Σήμερα το 90 % της παγκόσμιας ηλεκτροπαραγωγής συμβαίνει σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς ισχύος 100 – 500 MW, με αποδόσεις: από 30 % σε μικρούς σταθμούς (100 – 200 MW) παλιάς τεχνολογίας έως 40 % σε συνήθεις μονάδες 300 – 500 MW με συνδυασμένους κύκλους ατμοστροβίλων Νέες τεχνολογίες συνδυασμένων κύκλων αεριοστροβίλων-ατμοστροβίλων (σε μονάδες αεριοποίησης και όχι καύσης στερεών καυσίμων) και ατμοστροβίλων υπερκρίσιμου ατμού, με δυναμικότητες στην περιοχή των 500 MW, υπόσχονται αποδόσεις που ξεπερνούν το 45 % Συγκριτικά, αύξηση της μέσης απόδοσης ηλεκτροπαραγωγής από 35 σε 45 % θα ελάττωνε τις απώλειες του παγκόσμιου ενεργειακού ισοζυγίου κατά 1,5 Gtoe και τις εκπομπές CO2 κατά 4,5 Gtn (15 %).  

απόδοση και Κυψέλες Καυσίμου ηλεκτρική απόδοση, % ονομαστική δυναμικότητα, ΜW αποδόσεις έως 40 % σε δυναμικότητες λίγων kW (διπλάσιες των συμβατικών) ξεπερνούν το 70 % σε συνδυασμένους κύκλους με αεριο- ατμο- στρόβιλους και δυναμικότητες πάνω από 20 ΜW ενισχύουν τις προοπτικές κατανεμημένης συμπαραγωγής από βιομάζα το Η2 αποτελεί το σχεδόν αποκλειστικό τους καύσιμο, γεγονός που καθιστά την ανάπτυξη υποδομών υδρογόνου βασική προϋπόθεση για τη χρήση τους οι κυψέλες καυσίμου είναι το βασικό πλεονέκτημα της οικονομίας του υδρογόνου

το Η2 ως δευτερογενής ενεργειακός φορέας (καύσιμο) Δεν ρυπαίνει (και δεν εκλύει CO2) κατά τη χρήση του Μπορεί να παραχθεί από ΑΠΕ: ηλεκτρόλυση αν η χρησιμοποιούμενη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ΑΠΕ αεριοποίηση στερεής βιομάζας χώνευση βιομάζας και αναμόρφωση του βιοαερίου Μπορεί να τροφοδοτηθεί σε κυψέλες καυσίμου και να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια με πολύ υψηλή απόδοση

(360 Mtoe – 3,5 % του παγκόσμιου ενεργειακού ισοζυγίου) παραγωγή Η2 Εγκατεστημένη δυναμικότητα παραγωγής Η2 σήμερα: 400 δις m3 / a (360 Mtoe – 3,5 % του παγκόσμιου ενεργειακού ισοζυγίου) από την αναμόρφωση με νερό φυσικού αερίου ή ελαφρών υδρογονανθράκων, παραπροϊόντων της διύλισης του πετρελαίου: CH4 + H2O  CO + 3 H2 CO + H2O  CO2 + H2 CH4 + 2 H2O  CO2 + 4 H2 CxHy + 2x H2O  xCO2 + (4x + y)/2 H2 Χρησιμοποιείται αποκλειστικά σε χημικές συνθέσεις και μόνο το 5 % της παγκόσμιας παραγωγής διανέμεται εκτός των διυλιστηρίων

παραγωγή Η2 Οι εγκατεστημένες σήμερα μονάδες παραγωγής παρουσιάζουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά : δυναμικότητα 3,5 – 320 εκ. m3 CH4/a παραγωγή Η2 9,0 – 900 εκ. m3 H2/a απόδοση 65 – 70 % ΚΘΔ τροφοδοσίας πάγια επένδυση 2 – 200 εκ. € και το κόστος παραγωγής του Η2 κυμαίνεται : από 300 €/toe σε μεγάλες μονάδες έως 1400 €/toe σε μικρές κατανεμημένες μονάδες με μεγάλη ευαισθησία ως προς την τιμή του φυσικού αερίου (ενδεικτικά το κόστος προ φόρων του ντίζελ και της βενζίνης είναι της τάξης των 450 €/toe) Η διάθεση Η2 εκτός του διυλιστηρίου σε κυλίνδρους υψηλής πίεσης γίνεται σήμερα σε τιμές 2500 – 3000 €toe

παραγωγή Η2 Εναλλακτικές μέθοδοι παραγωγής (πειραματικό/επιδεικτικό στάδιο σήμερα) είναι: η αλκαλική ηλεκτρόλυση υπό υψηλή πίεση καταναλώνει 40 % περισσότερο ρεύμα από τη ΚΘΔ του Η2 που παράγει 25 % υψηλότερη πάγια επένδυση από την αναμόρφωση Φ/Α η ηλεκτρόλυση σε κυψέλες καυσίμου τύπου ΡΕΜ καταναλώνει 10 % περισσότερο ρεύμα από τη ΚΘΔ του Η2 που παράγει 100 % υψηλότερη πάγια επένδυση από την αναμόρφωση Φ/Α η αεριοποίηση άνθρακα με δέσμευση/αποθήκευση του CO2 C + 2 H2O  CO2 + 2 H2 η αεριοποίηση βιομάζας CxHyOz + (2x – z) H2O  x CO2 + (2x – z + y/2) H2 η φώτο-βιοχημική ηλεκτρόλυση σε αναερόβιες συνθήκες η θερμική διάσπαση του νερού στους 2500 οC οι κύκλοι ασβεστίου – βρωμίου και ιωδίου θείου, στους 1000 οC

διανομή και αποθήκευση Η2 πυκνότητα μάζα πίεση θερμ/σία toe/m3 toe/tn συμπιεσμένο αέριο < 33 kg/m3 13 % < 800 atm 25 oC 0,10 0,37 υγροποιημένο 71 kg/m3 100 % 1 atm -250 oC 0,20 2,88 μεταλλικά υδρίδια < 150 kg/m3 2 % 1 atm 25 oC 0,43 0,06 ροφημένο 20 kg/m3 4 % 70 atm -200 oC 0,06 0,12 σύνθετα υδρίδια 150 kg/m3 18 % 1 atm 25 oC 0,43 0,52 αλκαλικά διαλύματα < 100 kg/m3 14 % 1 atm 25 oC 0,29 0,40 βενζίνη 0,92 1,1 βέλτιστη λύση θεωρείται σήμερα η χρήση σύνθετων υδριδίων (Mg2NiH4, LiAlH4, NaBH4), ενώ διερευνώνται και λύσεις υδριδίων των αλκαλίων, με χωρητικότητα ακόμη και 25 %, ή προσροφητικές νανο-δομές άνθρακα με χωρητικότητες έως και 10 %

χρήση Η2 – κυψέλες καυσίμου H2 H2O H2 + ½ O2 H2O Ο2 + 4 e- 2 O2- O2 O2 ηλεκτρική απόδοση : 60 % ΔG της καύσης στην άνοδο x 85 % μετατροπή καυσίμου = 45 % της Θ.Δ. του τροφοδοτούμενου καυσίμου

κυψέλες καυσίμου υψηλή θερμοκρασία στατικές εφαρμογές 1 MW άνοδος ηλεκτρολύτης κάθοδος υψηλή θερμοκρασία στατικές εφαρμογές 1 MW ευελιξία καυσίμου 2 MW 60 – 80 % 11 ΜW 40 – 80 % στατικές οικιακές εφαρμογές μεταφορές 250 kW, 40 – 50 % οικιακές εφαρμογές 5 kW 70 % απόδοση H2O H2, CO SOFC CO2 CxHy κ.α. O2- Ο2 αέρας 500 – 1000 oC H2O MCFC αέρας CO2 H2, CO CO32- CΟ2 CO2 650 oC PAFC Ο2 H2 H2 H+ H2O αέρας 200 oC PEM H2 H2 H+ H2O αέρας 80 oC Ο2 AFC H2 H2O OH- Ο2 αέρας 200 oC

κυψέλες καυσίμου SOFC Ballard 250 kW ε SOFC Siemens/Westinghouse 40.000 ώρες λειτουργίας

κυψέλες καυσίμου συνολική αντίδραση: Η2 + ½ Ο2 => Η2Ο συνολική αντίδραση: Η2 + ½ Ο2 => Η2Ο αντιστρεπτό ηλεκτρικό έργο We = ΔG = n F ENernst ΔG = ΔGo + RT ln(PH2 PO21/2/PH2O) αντιστρεπτό δυναμικό ENernst = Εο + (RT/nF) ln(PH2 PO21/2/PH2O) μέγιστη ισχύς Pideal = I x ENernst

κυψέλες καυσίμου δυναμικό λειτουργίας: Vcell = Enernst – ηact – ηconc – I x R παραγόμενη ισχύς P = I x Vcell ΔG n F Vcell Vcell ηλεκτρική απόδοση: ηe = = = ΔGo n F VNernst VNernst

κυψέλες καυσίμου Vcell, Volt I, kA/m2 P, kW/m2 ηel, % PEM fuel cells: 0,5 – 0,75 5 – 10 3 – 7 έως 65 SO fuel cells : 0,5 – 0,8 2 – 8 2 – 7 έως 60

κυψέλες καυσίμου πολυμερικών πρωτονιακών αγωγών Proton Exchange Membranes FC ή Polymer Electrolyte FC (PEM FC) ηλεκτρολύτης: πολύ-περ-φθορο-σουλφονικό οξύ – NAFION® (60 – 70 oC) πολύ-βενζ-ιδαζόλη – PBI (160 – 180 oC) χαρακτηριστικά: ηλεκτρόδια λευκόχρυσου (1 – 2 mg/cm2) δηλητηρίαση παρουσία CO (<50 ppm) συντροφοδοσία Η2 / Η2Ο συσσώρευση νερού στην κάθοδο διάρκεια ζωής 5 – 8 έτη (καθαρότητα Η2, υδάτωση, κύκλοι λειτουργίας)

κυψέλες καυσίμου αγωγών οξυγόνου στερεών οξειδίων Solid Oxide FC (SOFC) ηλεκτρολύτης: ζιρκονία σταθεροποιημένη με 9 % ύττρια (ZrO2 – 9 % Y2O3) (Yttria Stabilized Zirconia – YSZ) χαρακτηριστικά: ηλεκτρόδια νικελίου ευελιξία καυσίμου αντοχή σε μικρο-ρυπαντές και άνθρακα δυνατότητα σύζευξης σε συνδυασμένους κύκλους θραύση των κεραμικών κατά τη μεταβολή της θερμοκρασίας διάρκεια ζωής έως και 15 έτη (μόνο 50 όμως κύκλοι λειτουργίας)

κυψέλες καυσίμου – στοιχεία κόστους PEM SOFC διάρκεια ζωής 1 – 3 έτη 2 – 8 έτη κόστος συστοιχίας 300 – 900 €/kW 200 – 600 €/kW κόστος συστήματος 500 -1100 €/kW 700 – 1200 €/kW στόχος 200 – 400 €/kW 500 – 1000 €/kW

φαινόμενα μάθησης και προοπτικές αγοράς Το κόστος των κυψελών τύπου ΡΕΜ μπορεί να ελαττωθεί ακόμη και κάτω από 100 €/kW, εάν: βελτιωθούν οι μεμβράνες υψηλής θερμοκρασίας ελαττωθεί ή επαλειφθεί ο λευκόχρυσος οι διπολικές πλάκες άνθρακα αντικατασταθούν από αγώγιμα πολυμερή χαμηλού κόστους η παραγωγή γίνει βιομηχανική η αθροιστική παραγωγή ξεπεράσεις 200 GWe Η σχετική αγορά στηρίζεται αποκλειστικά στην κρατική ερευνητική χρηματοδότηση και μόλις πρόσφατα σε εξειδικευμένες στρατιωτικές εφαρμογές . UNEP (2002) Fuel Cell Market Prospects and Intervention Strategies United Nations Environment Programme, Imperial College

Mercedes A-Class 85 kW PEM Chrysler Grand Cherokee κυψέλες καυσίμου – εφαρμογές Ford Focus 80 kW PEM Toyota Mitsubishi 68 kW PEM 140 km/h Mercedes A-Class 85 kW PEM 150 km/h Honda Chrysler Grand Cherokee Opel Zaphira Nissan

SOFC σε εστιατόριο Mc Donalds Αστικής χρήσης SOFC της κυψέλες καυσίμου – εφαρμογές SOFC σε εστιατόριο Mc Donalds του Long Island φορητές εφαρμογές κυψελών ΡΕΜ Αστικής χρήσης SOFC της Ballard ισχύος 10 kW SOFC Siemens/Westinghouse 250 kW με αεριοστρόβιλο

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ Ενεργειακή Οικονομία του Υδρογόνου και Κυψέλες Καυσίμου Η μεγαλύτερη εγκατάσταση FC σήμερα: 7 μονάδες SOFC των 200 kW της UTC Power, στο Garden City της Νέας Υόρκης ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ