ΑΝΑΛΟΓΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ-ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΝΑΛΟΓΙΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ-ΑΝΘΡΑΚΑ Έκλυση CO2 Κατάλοιπα άνθρακα (φυσ. αέριο  μεθανόλη)

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μέθοδοι Παραγωγής: Θερμοχημικές Ηλεκτρόλυση Φωτολυτικές

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Μέθοδοι Παραγωγής: Θερμοχημικές Ηλεκτρόλυση 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 Ηλεκτρόλυση 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%

ΠΙΛΟΤΙΚΗ ΦΑΣΗ ’97  1ο υβριδικό αυτοκίνητο  1ο λεωφορείο με FC

ΕΦΑΡΜΟΓΗ: ΝΟΡΒΗΓΙΚΟ ΝΗΣΙ

Τεχνολογία Υδρογόνου (Παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του Yδρογόνου ως φορέα ενέργειας, Fuel Cells) Η 2

ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η υδρογονοκίνηση μελετάται σήμερα με 2 τρόπους Σε συμβατικά αυτοκίνητα που κυκλοφορούν είδη σαν πρόσθετο καύσιμο βελτίωσης της καύσης. Με την τεχνολογία κυψελών καυσίμου που στην ουσία το H2, μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια που κινεί το αυτοκίνητο .

ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΡΟΤΑΣΗ:Συμβατικά οχήματα κινούνται με άλλα καύσιμα Η 2 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Η υδρογονοκίνηση αποτελεί μια σχετικά πρόσφατη τεχνολογία υβριδικής κίνησης , η οποία συντελεί στην μείωση κατανάλωσης καυσίμου με καθαρότερα παράγωγα για το περιβάλλον. Μέσω ενός σχετικά απλού στη λειτουργία συστήματος , το οποίο τροφοδοτείται με απλό αποσταγμένο νερό επιταχύνεται, η παραγωγή καθαρού υδρογόνου Μειώνει αλλά δεν αποτελεί αυτόνομα ολοκληρωμένη λύση παραγωγής ενέργειας απουσία συμβατικών καυσίμων

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

ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Η 2 ΠΡΟΤΑΣΗ: ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΠΡΟΤΑΣΗ: ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ 2

ΜΙΑ ΑΠΛΗ ΙΔΕΑ… Αντίστροφη Ηλεκτρόλυση

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

Η ΓΕΦΥΡΑ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

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 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

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.

ΑΝΗΣΥΧΙΕΣ ΓΙΑ FCV ΚΟΣΤΟΣ ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΒΑΡΟΣ ΥΠΟΔΟΜΗ ΕΥΦΛΕΚΤΟ ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΘΟΡΥΒΟΣ

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)

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 υλικά (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 (…Συνέχεια) Σε μέταλλα και υδρίδια μετάλλων 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 νανοκαταλυτών.

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.

Alex Farrell-David Keith ΑΝΤΙΠΡΟΤΑΣΗ ΣΤΙΣ FC Alex Farrell-David Keith Αβέβαιη η επιτυχία των FC. Μεγάλο το κόστος. Δημιουργία «καθαρότερων» κινητήρων. Βελτίωση αποδοτικότητας καυσίμων

ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΤΗΤΕΣ Αλλαγή κλίματος Επιβάρυνση υγείας-θάνατοι Ενεργειακή ασφάλεια ΑΒΕΒΑΙΟΤΗΤΑ

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 Χρήστος Καρύδας www.hy2.gr www.wikipedia.org www.physics4u.gr