Καλώς ήλθατε

Συνδεθείτε ή εγγραφείτε ως Μέλη, προκειμένου να σχολιάσετε αναρτημένα άρθρα, slides κλπ ή/και να διατυπώσετε τις δικές σας απόψεις για οποιοδήποτε θέμα τεχνικού ενδιαφέροντος.

Σάββατο, 27 Νοεμβρίου 2021

Μάνος Σταματάκης, Δρ. Χημικός Μηχανικός, ΚΑΠΕ, Τομέας Τεχνολογιών ΑΠΕ & Υδρογόνου

Αξιοποίηση του Υδρογόνου στον Τομέα των ΜεταφορώνΜάνος Σταματάκης Δρ. Χημικός Μηχανικός Τομέας Τεχνολογιών ΑΠΕ & Υδρογόνου A Vision of a Hydrogen Future "Πιστεύω ότι το νερό θα είναι, μία μέρα καύσιμη ύλη. Το Υδρογόνο και το Οξυγόνο, από τα οποία συντίθεται το νερό, αν χρησιμοποιηθούν ξεχωριστά ή σε συνδυασμό θα προσφέρουν μία ανεξάντλητη πηγή θερμότητας και φωτός, με ισχύ μεγαλύτερη από εκείνη του άνθρακα... Το νερό είναι ο μελλοντικός άνθρακας!" Ιούλιος Βερν Η μυστηριώδης νήσος , 1875 Λίγα λόγια για το υδρογόνοNGC 604, ένα γιγάντιο νέφος ιονισμένου υδρογόνου στον Γαλαξία Triangulum Γιατί Υδρογόνο ? •Το υδρογόνο έχει τo υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο, 120.7 kJ/gr και περίπου τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό της συμβατικής βενζίνης. • Κάνει "καθαρή" καύση. Όταν καίγεται με οξυγόνο παράγει μόνο νερό και θερμότητα και δε συμβάλλει στη μόλυνση του περιβάλλοντος.•Με τα κατάλληλα μέτρα ώστε να αποφευχθεί η προανάφλεξη, το υδρογόνο είναι πολύ καλό καύσιμο στους κινητήρες εσωτερικής καύσεως με απόδοση κατά 22% υψηλότερη από τον αντίστοιχο βενζινοκινητήρα. The o nly waste   produ   ct i water s  Το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας •••Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας ενέργειας, δηλαδή μια μορφή ενεργειακού νομίσματος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα για το πώς το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί ενέργεια είναι οι λεγόμενες κυψέλες καυσίμου (fuel cells), στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με βάση υδρογόνο. Το υδρογόνο, απαλλαγμένο από κάθε ποσοστό άνθρακα, μπορεί να προσφέρει αρκετή ενέργεια για καθημερινές χρήσεις, όπως η ηλεκτροδότηση κτιρίων ή η κίνηση μεταφορικών μέσων. Με κατεύθυνση την «Οικονομία του Η2» “It is our declared goal of achieving a step-by-step shift towards a fully integrated hydrogen economy, based on renewable energy sources by the middle of the century” Former EU President Romano Prodi H «Οικονομία του Η2» •ΠΑΡΑΓΩΓΗ•ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ•ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ Ο ρόλος των ΑΠΕ στην «Οικονομία του Η2»– Τρόποι Παραγωγής Η2 από ΑΠΕ Πρωτογενής Πηγή ΕνέργειαςΕφαρμογέςΜέθοδοι ΠαραγωγήςΆνθρακαςΑεριοποίησηΦυσικό Αέριο Αναμόρφωση Βιομάζα ΑιολικήΗλεκτρισμόςΗλεκτρόλυσηΥδροηλεκτρική Γεωθερμία ΗλιακήΥδρόλυσηΦωτόλυση ΠυρηνικήΥδρογόνο Το υδρογόνο στις μεταφορές Υδρογονοκίνητα αεροσκάφηΥδρογονοκίνητα επιβατικά αεροσκάφη (αριστερά) με κρυογονικές δεξαμενές κατά μήκος της ραχοκοκαλιάς της ατράκτου. Το καύσιμο Η2 απαιτεί περίπου των 4‐πλασιο όγκο από ότι το συμβατικό αεριωθούμενο καύσιμο http://planetforlife.com/h2/h2vehicle.html (κεροζίνη). Υδρογονοκίνητα οχήματα Κυψέλες Καυσίμου (Fuel Cells) Ηλεκτροχημικός εξοπλισμός που λειτουργεί όπως οι συσσωρευτές Καταναλώνουν Υδρογόνο και Οξυγόνο και παράγουν: Ηλεκτρική ενέργεια Θερμότητα Νερό Δεν είναι ΑΠΕ, είναι εξοπλισμός μετατροπής ενέργειας αποθηκευμένης υπό την μορφή καυσίμου (υδρογόνο, μεθάνιο, Φ.Α, μεθανόλη)  Κόστος από € 5.000 – € 20.000 / kW\ Όταν το καύσιμο είναι καθαρό Υδρογόνο οι εκπομπές είναι μόνο νερό Όταν το καύσιμο είναι κάποιος υδρογονάνθρακας, τότε εκλύεται CO2 αλλά σε μικρότερες ποσότητες από ΚΕΚ (περίπου 1kg CO2 ανά m3 H2)Ο ηλεκτρολύτης : ειδικευμένο πολυμερές ή άλλο υλικό, που επιτρέπει την διέλευση ιόντων αλλά δεν είναι περατό από ηλεκτρόνια. Tα ηλεκτρόδια είναι συνήθως από πλατίνα. Τύποι Κυψελών Καυσίμου ΗλεκτρολύτηςΜεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίωνΑλκάλιαΦωσφορικό Οξύ(AFC)(PAFC)(PEMFC)Τηγμένα ανθρακικά άλαταΣταθεροποιη-μένα οξείδια(MCFC)(SOFC)Θερμοκρασία Λειτουργίας80-150 oC60-150 oC200 oC650 oC800-1000 oCΗλεκτρικός φορέαςΙόν υδρογόνουΙόν υδρογόνουΙόν υδρογόνουΑνθρακικό ιόνΙόν οξυγόνουΚαταλύτηςΠλατίναΠλατίναΠλατίναΝικέλιοΤιτανικό ΑσβέστιοΑπόδοση (%)40-607040-60>60>60Μεταφορές, ηλεκτροπαραγωγή, φορητές ηλεκτρονικές συσκευέςΔιάστημαΗλεκτρο-παραγωγή και συμπαραγωγή σε κτιριακές εγκαταστάσειςΚεντρικές μονάδες ηλεκτρο-παραγωγής, συμπαραγωγήςΜεταφορές Κεντρικές μονάδες ηλεκτρο-παραγωγής, συμπαραγωγήςΚυριότερες εφαρμογές Ένα συμβατικό αυτοκίνητο για την κάλυψη 400 km καίει καταναλώνει περίπου 24 kg πετρελαίου. Για την κάλυψη της ίδιας απόστασης χρειάζονται μόλις 4 kg υδρογόνου σε FC car. Ωστόσο, το υγρό Η2 απαιτεί τον 4-πλασιο όγκο από ότι η ισοδύναμη ενεργειακά ποσότητα βενζίνης.Nature 414 (2001), 353-358 >300 miles range <5’ self service refilling <$2/gallon eq. gasoline Προδιαγραφές συστήματος αποθήκευσης • Αποθηκευτική δυνατότητα: αυτονομία οχήματος για τουλάχιστον 500km με ένα γέμισμα • Ασφάλεια: κίνδυνος από τη μεγάλη αναφλεξιμότητα • Συνθήκες λειτουργίας: κοντά στις ατμοσφαιρικές (για λόγους ασφάλειας και κόστους) • Όγκος: συμβατός με τις διαστάσεις ενός κοινού οχήματος • Βάρος: επιπλέον κατανάλωση καυσίμου • Ταχύτητα γεμίσματος: συγκρίσιμη με συμβατικό όχημα • Χαμηλό κόστος Αποθήκευση Υδρογόνου ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΡΕΥΝΑΣΠΟΣΟΤΙΚΑ ΚΡΙΤΗΡΙΑ Παράμετρος (κατά DOE)200520102015Περιεκτικότητα σε Η2 (% κ.β.)4,56,09,0Συγκ/ση ενέργειας κατά βάρος (kWh/kg)1,52,03,0Συγκ/ση ενέργειας κατ’ όγκο (kWh/L)1,21,52,7642Κύκλος ζωής (αριθμός γεμισμάτων)50010001500Ρυθμός πληρώσεως (kg H2/min)0,51,5210,10,05Κόστος ($/kWh)Απώλειες [(g H2 lost /h)/kg H2 stored] Φιάλες Υψηλής Πίεσης •Πιέσεις: 200, 350 και 700bar (2000bar στο μέλλον)•Κατασκευή από σύνθετα υλικά (composites) πάνω σε χαλύβδινα καλούπια•Προδιαγραφές υλικού: - Μηχανική αντοχή (κρούση, διάτρηση κ.λ.π.) - Χαμηλό βάρος - Μηδενική διαπερατότητα Η2 - Καλή θερμική συμπεριφορά•Χρήση συστοιχίας φιαλών παράλληλα συνδεδεμένων•Πιλοτική εφαρμογή σε μέσα συγκοινωνίας•Πλεονεκτήματα Μεγάλη αποθηκευτική δυνατότητα•Σχετικά χαμηλό κόστος Προβλήματα•Ασφάλεια, ειδικά για εφαρμογή στις μεταφορές•Αδυναμία λειτουργίας υπό σταθερή πίεση•Υποχρεωτική κυλινδρική διαμόρφωση φιάλης Υγροποιημένο Υδρογόνο •Κρυογενή συστήματα•Αποδεκτή πίεση λειτουργίας (<8bar) Εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (<-240οC)•Ειδική τεχνολογία μόνωσης (super-insulation): εναλλασσόμενα στρώματα από σύνθετα υλικά μέσα σε υψηλό κενό•Πλεονεκτήματα Λειτουργία σε σταθερή και χαμηλή πίεση•Ευκολία στη μεταφορά-διανομή με μεγάλα βυτιοφόρα Προβλήματα•Συνεχής εξάτμιση Η2 (boil-off)•Εξαιρετικά ενεργοβόρα υγροποίηση (30-40% της HLV)•Πολύ εξειδικευμένη τεχνολογία  μεγάλο κόστος•Συσσώρευση ατμών Η2 σε κλειστούς χώρους στάθμευσης Πορώδη Υλικάgraphitenanotubenanoconezeolites• Φυσική ρόφηση (συνήθως μονομοριακή), ασθενείς αλληλεπιδράσεις Η2υποστρώματος • Αντιστρεπτή αποθήκευση (εύκολη ανάκτηση Η2) • Εξαιρετική επίδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες (77Κ) αλλά όχι σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (< 1% κ.β. Η2) • Προοπτικές βελτίωσης με αριστοποίηση της γεωμετρίας και εισαγωγή προσμίξεων (π.χ. alkali-doped nanotubes) • Χαμηλό κόστος Μεταλλοϋδρίδια •Η πιο μελετημένη κατηγορία υλικών αποθήκευσης Η2 • Χημική ρόφηση ατομικού Η: ισχυρή συγκράτηση του Η2 • Διάφορο τύποι χημικού δεσμού: μεταλλικός – ομοιοπολικός - ιοντικός • Υψηλή συγκέντρωση Η2 κατ’ όγκο, μέτρια κατά βάρος (3% σε θερμοκρασία περιβάλλοντος) • Αυξημένο βάρος λόγω του μετάλλου • • •Εξώθερμη αντίδραση σχηματισμού, έκλυση θερμότητας κατά τη ρόφηση Η2 Αμφισβητούμενη αντιστρεπτότητα Σύνθετα υδρίδια ελαφρών μετάλλων (π.χ. LiBH4, Al(BH4)3: υλικά με εξαιρετικές δυνατότητες αποθήκευσης Η2 (ως 18% κ.β. ?) How Far we are from the Targets ΝΑΙ...η ασφάλεια είναι σημαντική αλλά περισσότερο ο φόβος της αλλαγής… “Μια νέα πηγή ενέργειας που ονομάζεται ... βενζίνη έχει παραχθεί από έναν μηχανικό της Βοστώνης. Αντί το καύσιμο να καίγεται σε λέβητα, εκρήγνυται στο εσωτερικό του κυλίνδρου ενός κινητήρα ... Οι κίνδυνοι είναι προφανείς. Καταστήματα βενζίνης στα χέρια των ανθρώπων που ενδιαφέρονται πρωτίστως για το κέρδος θα αποτελούσαν εκρηκτικά σημεία υψηλής επικινδυνότητας. Άμαξες δίχως άλογα που κινούνται με βενζίνη θα μπορούν να επιτύχουν σε ταχύτητες των 14, ή ακόμα και 20 μιλίων την ώρα. Η απειλή για τους ανθρώπους μας αυτού του τύπου που ξεχύνονται μέσα στους δρόμους μας και να δηλητηριάζουν την ατμόσφαιρα θα απαιτήσει την άμεση νομοθετική δράση και, ακόμη και αν οι στρατιωτικές και οικονομικές επιπτώσεις δεν ήταν τόσο συγκλονιστικές ... το κόστος παραγωγής της βενζίνης είναι πολύ πέρα από τη χρηματοδοτική ικανότητα του ιδιωτικού τομέα ... Επιπλέον, η ανάπτυξη αυτής της νέας μορφής ενέργειας μπορεί να εκτοπίσει τη χρήση των αλόγων, η οποία θα καταστρέψει τη γεωργία μας” US Congressional Record, 1875 –24 RTD on Hydrogen and Fuel Cells στην Ευρώπη EC Support to Fuel Cell and Hydrogen RTD in Framework Programmes 300275250 200 145M€ 150 100 58 5032 80 FP2 (19861990)FP3 (19901994)FP4 (19941998)FP5 (19982002)FP6 (20022006) FP6 Budget Breakdown for H2/FCs Total EC Contribution ~275 M€ H2 production15%H2 storage8%H2 distribution Pathways, roadmaps, socio-economic analyses, coordination of National programmes4%Safety, regulations and standards4%High temperature FC - basic research6%Low temperature FC - basic research8%Stationary and portable applications6%9%Transport applications (including FC hybrid vehicles)21%Validation and demonstration19% Important RTD&D FP6 ProjectsFURIM HyICE “HYDROGEN FOR TRANSPORT” (Demonstration Projects in FP6)BusesCarsHyFLEET:CUTEZERO REGIOPREMIAMini:TransportHyLightsHyCHAINMonitoring and Preparation of « Lighthouse projects» Coordination action WHAT’S NEW in FP7      Annual budget doubled (EUR 5 billion ►10 billion) Emphasis on RTD themes rather than on “instruments” – Continuity. Significant simplification of its operation Focus on developing research that meets the needs of European industry, through the work of Technology Platforms and the new Joint Technology Initiatives Basic research - Establishment of a European Research Council Other new topics: Research Infrastructures, Regions of Knowledge, Risk-Sharing Facility (EIB). Programme length: 7 years The JTI is a new management structure that allows a more efficient organisation of the R&DD resources in Europe in fields of major European public interest and has the necessary critical mass ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΠΛΑΤΦΟΡΜΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Βασικός σκοπός: προώθηση της Οικονομίας Υδρογόνου στη χώρα, έτσι ώστε να συνεισφέρει στη βιώσιμη ανάπτυξη της Ελλάδας μέσω των παρακάτω ενεργειών:  Καθορισμό Οδικού Χάρτη (roadmap) για την ανάπτυξη και χρήση τεχνολογιών Υδρογόνου και των Κυψελών Καυσίμου στην Ελλάδα με χρονικό ορίζοντα το 2050  Λεπτομερή καθορισμό των θεμάτων Έρευνας και Ανάπτυξης που πρέπει να υλοποιηθούν σε εθνικό επίπεδο προκειμένου να υποστηριχθούν οι δράσεις που περιγράφονται στον οδικό χάρτη  Εξασφάλιση της υποστήριξης της Πολιτείας σε θέματα στρατηγικής για την ανάπτυξη της σχετικής αγοράς  Συντονισμό των προσπαθειών, διασφαλίζοντας τη συνέργια και συμπληρωματικότητα των ερευνητικών φορέων και των δυνάμεων της αγοράς Δραστηριότητες ΚΑΠΕ στο H2 Το ΚΑΠΕ δραστηριοποιείται στην ανάπτυξη και επίδειξη πραγματικής κλίμακας συστημάτων ΑΠΕ – Υδρογόνου:  Παραγωγή Υδρογόνου  Αποθήκευση Υδρογόνου  Χρήση Υδρογόνου σε Κυψέλες Καυσίμου• Σχεδιασμός και ανάλυση ολοκληρωμένων συστημάτων • Έλεγχος και αξιολόγηση τμημάτων εξοπλισμού • Αξιολόγηση πραγματικών συστημάτων • Τεχνο-οικονομικές μελέτες • Μοντελοποίηση και προσομοιώσεις Πάρκο Ενεργειακής Αγωγής (ΠΕΝΑ) Ένα νέο Πάρκο για την ενημέρωση και την ευαισθητοποίηση του κοινού σε θέματα ΑΠΕ και ΕΞΕ, κατασκευάστηκε από το ΚΑΠΕ στο χώρο του επιδεικτικού Αιολικού Πάρκου συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 3,01 MW, στην περιοχή της Κερατέας Αττικής. Το ΠΕΝΑ κατασκευάστηκε έτσι ώστε να βρίσκεται σε αρμονία με το φυσικό περιβάλλον της περιοχής και οριοθετείται από ένα ξύλινο μονοπάτι φωτιζόμενο με αυτόνομα φωτοβολταϊκά φωτιστικά, όπου στη διαδρομή συναντά εκπαιδευτικές περιοχές και ενεργειακούς εκθεσιακούς κόμβους. Το ΠΕΝΑ αποτελείται από:  • • • •  • • •4 εκπαιδευτικές περιοχές: Π1 - Το Μέτωπο του Ανέμου Π2 - Το Υδρογόνο Π3 - Τη Ροή του Νερού Π4 - Το Μέτωπο του Ήλιου 3 κόμβους: Κ1 - Κόμβος της Ιστορίας των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Κ2 - Κόμβος της Γεωθερμίας Κ3 - Κόμβος Άλλων Μορφών ΑΠΕ 8 επιδεικτικές μονάδες: • • • • • • • •Μονάδα Βιομάζας για θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης Επιδεικτική Γεωθερμική αντλία θερμότητας για κλιματισμό χώρου Αντλητική Μονάδα με Φωτοβολταϊκό Σύστημα Αυτόνομη Υβριδική Μονάδα Αφαλάτωσης Θαλασσινού Νερού Μονάδα Παραγωγής, Εμφιάλωσης & Αποθήκευσης Υδρογόνου με χρήση Αιολικής Ενέργειας Μονάδα Ηλιακού Κλιματισμού με τη τεχνολογία αφύγρανσης –εξάτμισης Μικρό Επιδεικτικό Υδροηλεκτρικό Σύστημα Φωτοβολταϊκό Διαξονικό Σύστημα Παρακολούθησης του Ήλιου Κόμβος Η2 - ΠΕΝΑ  ΒελτιστοποίησηΤμήματα εξοπλισμούΧαρακτηριστικάΘέση σε λειτουργίαΟκτώβριος 2005Ανεμογεννήτρια500 kWΑλκαλική Ηλεκτρόλυση25 kW, 5 Nm3/h H2 20 bar καθαρότητα 99.98 %vΔεξαμενές μεταλλικών LaNi5 type υδριδίων 40 Nm3 Συμπιεστής υδρογόνου Μονοβάθμιος 10 - 220 bar Σταθμός πλήρωσης100 Nm3 κυλίνδρουςμεγεθών των τμημάτων εξοπλισμού σε σχέση με τις ροές υδρογόνου, ηλεκτρισμού και πληροφοριών  Ανάλυση απόδοσης/κόστους της αλκαλικής ηλεκτρόλυσης  Ανάλυση απόδοσης/κόστους των δεξαμενών μεταλλικών υδριδίωνσεΓενική άποψη της μονάδας Κόμβος Η2 - ΠΕΝΑ Εργαστήριο Ενσωμάτωσης Τεχνολογιών ΑΠΕ – H2  Αντικειμενικός Σκοπός: Η ενσωμάτωση i) τεχνολογιών παραγωγής υδρογόνου (αλκαλική και ΡΕΜ ηλεκτρόλυση – αναμόρφωση βιοαιθανόλης), ii) τεχνολογιών αποθήκευσης υδρογόνου (υπό πίεση και σε δεξαμενές μεταλλικών υδριδίων) iii) τεχνολογιών επαναχρησιμοποίησης υδρογόνου για παραγωγή ηλεκτρισμού (PEM fuel cells και Αλκαλικά Fuel Cells) σε υπάρχον υβριδικό σύστημα Φ/Β-Ντίζελ  Συνολικός προϋπολογισμός: 440.000 Euro Εργαστήριο Ενσωμάτωσης Τεχνολογιών ΑΠΕ – H2 Οχήματα Υδρογόνου  Στο όχημα έχει ενσωματωθεί κατάλληλη συστοιχία μπαταριών, ως ενδιάμεσο στάδιο αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από την κυψέλη καυσίμου (1.8 kW) προκειμένου να τροφοδοτήσει τον ηλεκτροκινητήρα. Το υδρογόνο που τροφοδοτεί την αλκαλική κυψέλη καυσίμου αποθηκεύεται σε δεξαμενή μεταλλικών υδριδίων τύπου LaNi5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ !
Εισάγετε το όνομά σας. *
Εισάγετε το e-mail σας. *
Μήνυμα
Κάντε ένα σχόλιο για το άρθρο. Το μήνυμα σχολίου σας θα δημοσιοποιηθεί μετά από έγκριση από την αρμόδια Επιτροπή.
*

Σφάλμα

Εισάγετε το όνομά σας.

Σφάλμα

Εισάγετε το e-mail σας.

Σφάλμα

Εισάγετε μήνυμα σχολίου.

Σφάλμα

Προέκυψε ένα λάθος κατά την αποστολή του σχολίου σας, παρακαλώ δοκιμάστε ξανά αργότερα.

Μήνυμα

Το μήνυμα σχολίου απεστάλη επιτυχώς. Θα δημοσιευτεί το συντομότερο δυνατό μετά την έγκριση του από την αρμόδια Επιτροπή.