Τεχνολογία Υδρογόνου (Παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του Yδρογόνου ως φορέα ενέργειας, Fuel Cells) Η 2 ΣΕΜΦΕ-ΕΜΠ Καρύδας Χρήστος 09103057

ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ >85% της παγκόσμιας ενέργειας προέρχεται από ορυκτά καύσιμα (40% πετρέλαιο,22% άνθρακας , 23% φυσικό αέριο) 7% Πυρηνική, 7% Υδροηλεκτρική ,1% Γεωθερμία Καταναλώνουμε 2 βαρέλια συμβατικού αργού πετρελαίου για κάθε νέο βαρέλι που ανακαλύπτεται. Κορύφωση της παγκόσμιας παραγωγής πετρελαίου 2010-2020 (τα πιο αισιόδοξα σενάρια) Αύξηση θερμοκρασίας του πλανήτη εώς 5.8 ºC μέχρι το 2100 Εξαφάνιση ζωικών και φυτικών ειδών Αύξηση ασθενειών

ΟΔΕΥΟΝΤΑΣ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΕΞΑΝΤΛΗΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΘΕΜΑΤΩΝ Παγκόσμια οικονομική κρίση Ραγδαία αύξηση της φτώχειας Αύξηση ασθενειών Πόλεμοι ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ

ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η 2 ΠΡΟΤΑΣΗ: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Διατομικό , Αέριο σε θερμοκρασία δωματίου, Άχρωμο, εύφλεκτο. Πυκνότητα 0.0899 kg/m³ στους 0ºC Σημείο βρασμού ~ 20ºK, πήξης ~ 14ºΚ Λόγω της ελαφρότητας του απαντάται μόνο του σε όχι περισσότερο από το 1% της συνολικής μάζας της γης.

ΜΙΑ ΑΠΛΗ ΙΔΕΑ… Αντίστροφη Ηλεκτρόλυση

Πλεονεκτήματα έναντι συμβατικών πηγών ενέργειας Είναι το πλέον άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν. Το υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο, 120.7 KJ/Kg. Περίπου 3 φορές μεγαλύτερο από αυτό της βενζίνης. Κάνει καθαρή καύση. Όταν καίγεται με το οξυγόνο παράγει μόνο νερό και θερμότητα. Σε συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Ηλιακή, ανεμογεννήτριες,γεωθερμία κτλ.) μπορούμε να πάρουμε την απαραίτητη ενέργεια για την ηλεκτρόλυση  Οικολογικό καύσιμο. Είναι το ίδιο ακίνδυνο με τη βενζίνη, το diesel ή το φυσικό αέριο. Λιγότερο εύφλεκτο απουσία αέρα. Μπορεί να συμβάλλει στη μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι παρασκευής υδρογόνου (Ηλεκτρόλυση νερού, μετατροπή Μεθανίου του φυσικού αερίου, κ.α.) HEW (Hydrogen Energy Web) – Aνάπτυξη αποκεντρωμένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας  1ο Δημοκρατικό ενεργειακό καθεστώς.

Μειονεκτήματα έναντι συμβατικών πηγών ενέργειας Ελλιπής υποδομή (παραγωγή, αποθήκευση, διανομή) Πρόβλημα αποθήκευσης. Είναι πολύ ελαφρύ και χρειάζεται μεγάλη συμπίεση. Έλλειψη οργανωμένου δικτύου διανομής του. Υψηλή τιμή σε σχέση με τη βενζίνη. Κάποιες μέθοδοι παραγωγής έχουν ανεπιθύμητα για το περιβάλλον προιόντα (μετατροπή του Μεθανίου του φυσ.αερίου δίνει CO2, εκμετάλλευση του υδρογόνου της βιομάζας δίνει CO). Εξαιρετικά επικίνδυνο κάτω από ορισμένες συνθήκες. Π.χ. μπορεί να εκτοπίσει το οξυγόνο ενός χώρου. Αυξημένη τιμή των κυψελών καυσίμου (όπου γίνεται η παραγωγή ενέργειας από υδρογόνο)

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μέθοδοι Παραγωγής: Θερμοχημικές Ηλεκτρολυση Φωτολυτικές

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μέθοδοι Παραγωγής: Θερμοχημικές Ηλεκτρολυση Φωτολυτικές Επεξεργασία του φυσικού αερίου Μετατροπή του Μεθανίου (αναμόρφωση ατμού μεθανίου)  στα προϊόντα CO2, CO CH4 + H2O  CO + 3H2 (ΔΗ = 206 ΚJ/mol) CO + H2O  CO2 + H2 (ΔΗ = -41 KJ/mol) (Καταλύτης Νικέλιο, Θερμοκρασία ~ 500ºC) Αεριοποίηση - Πυρόλυση βιομάζας Πυρόλυση: Θέρμανση απουσία οξυγόνου κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας  Μείγμα λαδιού πλούσιο σε H2 Αεριοποίηση: Θέρμανση παρουσία περιορισμένων ποσοτήτων οξυγόνου CO, H2

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μέθοδοι Παραγωγής: Θερμοχημικές Ηλεκτρολυση Φωτολυτικές Ηλεκτρόλυση Νερού Στην κάθοδο Στην άνοδο Τελικά Απόδοση 77% Αργός κινητικός μηχανισμός αντίδρασης καθόδου  Χρήση καταλύτη (Pt)

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μέθοδοι Παραγωγής: Θερμοχημικές Ηλεκτρολυση Φωτολυτικές Φωτοβιολογική Παραγωγή Εκμετάλλευση φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών. Απόδοση ~ 25% Φωτοηλεκτρόλυση Χρήση Ηλιακών συλλεκτών (PV).Πρακτική απόδοση ~ 25% (Χρυσή τομή απόδοσης-κόστους PV άμορφης σιλικόνης ~ 5-10% απόδοση) Χρήση Φωτοευαίσθητοποιημένων Ηλιακών Κυψελών  απόδοση ~ 10%

ΔΙΑΝΟΜΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Σημαντικός παράγοντας για την ανάπτυξη και εδραίωση της οικονομίας υδρογόνου. Υψηλά τεχνικά εμπόδια λόγω απαίτησης υγρής μορφής-υψηλές πιέσεις. Νέα υποδομή. Προσεγγίσεις: Πολλές μονάδες μεγάλης παραγωγής συνδεδεμένες με αγωγούς. Τοπική παραγωγή σε ποσότητες αρκετές για την τοπική ζήτηση. Οικιακή παραγωγή. Ο καθένας παραγωγός της δικής του ενέργειας. Το περίσσευμα το διαθέτει σε άλλους. (HEW)

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 1kg Υδρογόνου σε κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας,πίεσης -> 11m³ Για πρακτική χρήση πρέπει να αυξηθεί η πυκνότητά του. Τρόποι αποθήκευσης: Με υψηλής πίεσης φιάλες αερίου Ως υγρό σε κρυογονικές κυψέλες Σε μέταλλα και υδρίδια μετάλλων Σε νανοδομημένες ενώσεις άνθρακα

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Με υψηλής πίεσης φιάλες αερίου πίεση 340 atm πυκνότητα 36 kg/m³ Χρήση στρωμάτων νανοσωλήνων άνθρακα  ενίσχυση ανθεκτικότητας Απαιτείται ενέργεια ~ 2.5 kW/kg για συμπίεση Μειονεκτήματα: Χαμηλή πυκνότητα Υψηλές πιέσεις Ανοξείδωτα υλικα (σίδηρος, τιτάνιο) δεν είναι κατάλληλα καθώς το υδρογόνο μπορεί να προκαλέσει το φαινόμενο «προκαλούμενης από υδρογόνο ευθραυστότητας».

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Ως υγρό σε κρυογονικές κυψέλες Πυκνότητα 70.8 kg/m³ 2 καταστάσεις ολικού σπιν Ι=0 ( αντιπαράλληλα πυρηνικά σπιν) 25% (παραΗ) Ι=1 (παράλληλα >>) 75% (ορθοΗ) Οι θερμοκρασίες τήξης και βρασμού διαφέρουν κατά 0.1ºΚ ΤδωμΤβρασμου (21.2ºΚ) ΟρθοΗ 75%0.2% Μετατροπή εξώθερμη, αργή (1χρόνος). Η θερμότητα που εκλύεται μπορεί να προκαλέσει την εξάτμιση του υγρού υδρογόνου. Γι’αυτό το λόγο γίνεται χρήση καταλυτών Διαδικασία λίγων λεπτών ενώ ο δεσμός μεταξύ των ατόμων του υδρογόνου παραμένει ανεπηρέαστος Μειονέκτημα: Μεγάλα ποσά ενέργειας για την υγροποίηση του υδρογόνου. Επικίνδυνο αν έρθει σε επαφή ο άνθρωπος με κρυογονικές επιφάνειες.

Σε μέταλλα και υδρίδια μετάλλων ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Σε μέταλλα και υδρίδια μετάλλων Τα Υδρίδια Μετάλλων λειτουργούν όπως ο σπόγγος με το νερό. Μ + Η2  ΜΗ2 Κάποια μέταλλα ή κράματα απορροφούν υδρογόνο υπό συγκεκριμένη πίεση. Αυτό το απορροφούμενο υδρογόνο διαχέεται μέσα στο μέταλλο και καταλαμβάνει κάποιες συγκεκριμένες θέσεις στο πλέγμα του μετάλλου ,σχηματίζοντας το υδρίδιο, κάτω από μία συγκεκριμένη θερμοκρασία Τc. (Συνεχίζεται…)

Σε μέταλλα και υδρίδια μετάλλων ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Σε μέταλλα και υδρίδια μετάλλων (…Συνέχεια) Η ταχύτητα της διαδικασίας εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες, όπως τη δομή του μετάλλου, την καθαρότητα, την παρουσία καταλυτών, την αργή απομάκρυνση της εκλυόμενης θερμότητας. Καθώς το υδρογόνο καταλαμβάνει ενδοπλεγματικές θέσεις απωθεί μεταλλικά άτομα παραμορφώνοντας το μέταλλο  μεταβολή στη συγκέντρωση. Η βελτίωση της δυνατότητας αποθήκευσης, ταχύτητας απορρόφησης και αποδέσμευσης, διάχυσης υδρογόνου στο μέταλλο και σταθερότητας υδριδίων, μπορεί να επιτευχτεί με τη χρήση νανοδομημένων κρυσταλλικών πλεγμάτων και νανοκαταλητών.

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Σε νανοδομημένες ενώσεις άνθρακα Νανοΐνες άνθρακα: Στρώματα γραφίτη με συγκεκριμένο προσανατολισμό. Μεγάλης έκτασης επιφάνειες που αποτελούν θέσεις για προσρόφηση αερίου υδρογόνου. Νανοσωλήνες άνθρακα: Ομόκεντροι κύλινδροι γραφίτη με πενταμελείς δακτύλιους. Πολλοί μαζί σχηματίζουν συστοιχία. Μονοφλοιικοί,Πολυφλοιικοί. Το υδρογόνο συγκρατείται κυρίως με δεσμούς Van der Waals 1. ανάμεσα στα επίπεδα του γραφίτη 2. Στην επιφάνεια μονοφλοιικών ή στην εξωτερική επιφάνεια πολυφλοιικών. 3.Μεταξύ των εσωτερικών επιφανειών των πολυφλοιικων. 4.Ανάμεσα σε νανοσωλήνες συστοιχίας.

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ 1839 Sir William Grove NASA (’60) Διαστημικό πρόγραμμα Gemini, Apollo. Εώς 2.5 φορές πιο αποδοτικές από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Μετατροπή του καυσίμου (Υδρογόνο) σε ηλεκτρική ενέργεια. Βασίζονται στην ιδέα της αντίστροφης ηλεκτρόλυσης. Ταξινομούνται με βάση τον ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν

Σύγκριση διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Σύγκριση διαφόρων τύπων κυψελών καυσίμου Τύπος Ευκίνητο ιόν Θερμοκρασία λειτουργίας Εφαρμογές-Σημειώσεις PEM-Πολυμερικής Μεμβράνης 30-100 ºC Οχήματα και άλλες φορητές εφαρμογές, Συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας-ηλ.ρεύματος Μεθανόλης DMFC 20-90 ºC Φορητές ηλεκτρονικές συσκευές χαμηλής ισχύος Φωσφορικού οξέος PAFC ~220 ºC Μεγάλες μονάδες συμπαραγωγής 200 kW Στερεού οξειδίου SOFC 500-1000 ºC Κατάλληλες για μονάδες συμπαραγωγής 2kW  MW Τηγμένου άνθρακα MCFC ~650 ºC Αλκαλικού Ηλεκ/τη ΑEFC 50-200 ºC Σε διαστημικά οχήματα (Apollo,Shuttle..)

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Στην Άνοδο Στην Κάθοδο Συνολικά Κυψέλη Πολυμερικής μεμβράνης - PEM (Proton Exchange Membrane) Στην Άνοδο Στην Κάθοδο Συνολικά ευκίνητος φορέας Πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα πάνω στα οποία βρίσκονται σωμάτια Pt  Μεγιστοποίηση της καταλυτικά ενεργής επιφάνειας. Όξινης φύσης Ηλεκτρολύτης-Κατιοντικά αγώγιμη Πολυμερική μεμβράνη (PEM)

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Κυψέλη Πολυμερικής μεμβράνης - PEM (Proton Exchange Membrane) Στοιχεία Διάταξης Πολυμερική μεμβράνη-Ηλεκτρολύτης Nafion (sulphonated polytetrafluoroethylene) Πολυτετραφθοροαιθυλένιο, υδρόφοβοοδηγεί το σχηματιζόμενο νερό έξω από το ηλεκτρόδιο και αποτρέπει το πλημμύρισμα της κυψέλης. Από τα ΗSO3 που προστίθενται, τα και τα από διαφορετικά μόρια, σχηματίζουν συμπυκνώματαΥδρόφιλες περιοχές που απορρόφούν μεγάλες ποσότητες νερού (έλεγχος περιεκτικότητας νερού). Μέσα σ’αυτές τα κατιόντα του υδρογόνου,μπορούν και κινούνται σχετικά ελεύθερα. Ηλεκτρόδια Πορώδη (νανοδομημένα) ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά.Μεγιστοποίηση επιφάνειας αντίδρασης. Λόγω αργού κινητικού μηχανισμού αντιδράσεων  Καταλύτης (Pt) της τάξης των

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Κυψέλη Πολυμερικής μεμβράνης - PEM (Proton Exchange Membrane) Απόδοση Το φορτίο που ρέει στο κύκλωμα  -2Νe Ε η παραγόμενη τάση, W= -2NeE παραγόμενο έργο.

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Κυψέλη Πολυμερικής μεμβράνης - PEM (Proton Exchange Membrane) Απώλειες Χημικές αντιδράσεις που οδηγούν τα ηλεκτρόνια από και προς τα ηλεκτρόδια Ορισμένη ποσότητα καυσίμου και ηλεκτρονίων διεισδύει στον ηλεκτρολύτη Ωμικές απώλεις V=I R στον ηλεκτρολύτη και στα ηλεκτρόδια του κυκλώματος. H ελεύθερη ενέργεια Gibbs (άρα και η τάση) επηρεάζεται από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων,τη θερμοκρασία και την πίεση του συτήματος. Εξίσωση Nernst:

ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Κυψέλη Μεθανόλης DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Λύση στο πρόβλημα της αποθήκευσης υδρογόνου καύσιμο μεθανόλη (CH3OH) Ηλεκτρολύτης PEM Άνοδος: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Κάθοδος: (3/2)O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O Συνολικά: CH3OH + 1.5O2 → CO2 + 2H2O Θερμοκρασία λειτουργίας 20-90ºC Μικρή ισχύς – Χρήση σε φορητές συσκευές (τηλέφωνα, laptop…) Μεγάλη ποσότητα καταλύτη (Pt) CO2 ως προϊόν Κυψέλη Φωσφορικού οξέως PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) Καύσιμο υδρογόνο Ηλεκτρολύτης Υγρό φωσφορικό οξύ , Καταλύτης Pt Θερμοκρασία λειτουργίας ~220 ºC Υψηλή απόδοση , μεγάλος χρόνος ζωής Μεγάλος όγκος διάταξης

ΕΠΙΛΟΓΟΣ «Το βασίλειο των Ουρανών μπορεί να στηρίζεται στην αρετή, όμως το βασίλειο της Γης στηρίζεται στο πετρέλαιο» (Έρνεστ Μπέβιν 1881-1951) «Όχι πια!» (Χρήστος Καρύδας 1985 -?) ΠΗΓΕΣ «Η OIKONOMIA TOY ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ» Jeremy Rifkin «Fuel Cell Systems Explained» James Larminie, Andrew Dicks www.hy2.gr www.wikipedia.org www.physics4u.gr