Παρασκευή, 11 Οκτωβρίου 2019

Υδρογόνο ή/και υδρογόνο; Γράφουν δυο Καθηγητές του Πανεπιστημίου Πατρών

Fuel cell and batteries as zero emissions options for buses vs. diesel and NG at next week’s 2019 International Fuel Cell Bus Conference organized by CTE in San Francisco, Sept. 26-27th


Γράφουν οι  Σοφοκλής Μακρίδης* 
και Επαμεινώνδας Μητρονίκας*
Καθηγητές στο Πανεπιστήμιο  Πατρών

Η παραπάνω φωτογραφία ήταν μία από αυτές που βρέθηκαν στο κέντρο των συζητήσεων λίγες μέρες πριν.

 
Αριστερά: Σ. Μακρίδης (Τεχνολογίες Υδρογόνου) Δεξιά – όρθιος: Επαμεινώνδας Μητρονίκας (Ηλεκτρικά Αυτοκίνητα) [1}
Είπαμε να αστειευτούμε και εμείς…

Αποφασίσαμε να γράψουμε αυτό το άρθρο γιατί υπήρξε και η γενικότερη αστάθεια των καυσίμων μετά το «χτύπημα» με drones που έπληξε την παραγωγή πετρελαίου στη Σαουδική Αραβία. Ζήσαμε τον πανικό των ημερών στα παράθυρα των ΜΜΕ με τις φήμες για την εκτόξευση των τιμών των ορυκτών καυσίμων, που αν και δεν επιβεβαιώθηκαν στην πράξη μας έβαλαν σε σκέψεις: Με την εξάρτηση από το πετρέλαιο είναι πιά τόσο εύκολο να δημιουργηθεί η απόλυτη ανασφάλεια στην ενεργειακή αγορά; Αλλά και να μην υπήρχε αυτό το πρόβλημα, ως πότε θα καίμε ό,τι καύσιμη ύλη έχουμε διαθέσιμη για παραγωγή ενέργειας καταστρέφοντας τον πλανήτη μας; Κι αυτό όταν ο ηλεκτρισμός, η πλέον καθαρή μορφή ενέργειας, είναι τεχνολογικά ώριμη και έτοιμη να δώσει ζωή και ισορροπία ξανά στον πλανήτη μας, γιατί πρέπει να καταλάβουμε επιτέλους ότι οι ρύποι είναι παγκόσμιοι.



Από το 18ο αιώνα η ανθρωπότητα μπήκε στη βιομηχανική εποχή, η οποία έως τώρα εκδηλώθηκε σε τρία σημαντικά στάδια, ενώ βρισκόμαστε στο κατώφλι ενός τέταρτου. Περάσαμε από την αποκλειστική χρήση της μυϊκής δύναμης στην ατμομηχανή (1ο), στην ηλεκτρική ενέργεια (2ο), στην επανάσταση των υπολογιστών και των αυτοματισμών (3ο). Το 4ο στάδιο που πυροδοτήθηκε στην αρχή της χιλιετίας και βρίσκεται σε εξέλιξη, μπορεί να περιγραφεί ως την ανάπτυξη ενός φάσματος νέων τεχνολογιών που ενώνουν το φυσικό, τον ψηφιακό και το βιολογικό κόσμο [2] και αναμένεται ν’ αλλάξει ριζικά τον τρόπο ζωής και εργασίας μας αλλά και τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε και αλληλεπιδρούμε τον κόσμο που μας περιβάλλει.
Βασική παράμετρο αυτών των ιστορικών μεταβάσεων αποτέλεσε η διαχείριση της ενέργειας, με σαφή πορεία από πιο ρυπογόνες πηγές (καύση) σε πιο καθαρές (ηλεκτρισμός). Από αυτή την άποψη, τα τρία τελευταία στάδια δε θα ήταν εφικτά χωρίς το σταδιακό εξηλεκτρισμό όλο και περισσότερων συστημάτων (electrification) στη βιομηχανία.
Από μια άλλη οπτική γωνία, η βαριά κληρονομιά που μας άφησαν οι τεχνολογίες του προηγούμενου αιώνα είναι οι αυξημένοι ρύποι στην ατμόσφαιρα, προερχόμενοι κυρίως από την καύση των ορυκτών καύσιμων. Στον τομέα των μέσων μεταφοράς, ο εξηλεκτρισμός, που συντελείται ακόμη με μικρούς ρυθμούς, καθίσταται απολύτως απαραίτητος. Τα περισσότερα οχήματα ακόμη κινούνται με ορυκτά καύσιμα. Τα επιβατικά οχήματα στην Ευρώπη ευθύνονται για το 50% της κατανάλωσης ενέργειας στον τομέα των μεταφορών [3] και για το 72% των αντίστοιχων εκπεμπόμενων αερίων του θερμοκηπίου [4]. Ο στόχος της ΕΕ που τέθηκε στο 2011 White Paper for Transport είναι το 2050 να έχουν μειωθεί οι εκπομπές κατά 50% σε σχέση με το 1990. Προς την κατεύθυνση αυτή, η αντικατάσταση σημαντικού ποσοστού των συμβατικών επιβατικών αυτοκινήτων με ηλεκτρικά φαίνεται μονόδρομος.

Η εφικτότητα του στόχου και οι ανάγκες της εποχής
Η εξέλιξη και η εξάπλωση της αυτοκίνησης έχει δείξει τον προηγούμενο αιώνα μια εξαιρετική δυναμική. Κατασκευασμένα αρχικά ως εξεζητημένο προϊόν για γερά πορτοφόλια, τα επιβατικά οχήματα καθιερώθηκαν στο ευρύ κοινό με τη μαζικοποίηση της παραγωγής τους κατά τη 2η δεκαετία του 20ου αιώνα, με αποτέλεσμα να αλλάξουν την εικόνα των αστικών κέντρων. Σημαντικό ρόλο στην επικράτηση των κινητήρων εσωτερικής καύσης έπαιξε η ανάπτυξη των υπεραστικών οδικών δικτύων που δημιούργησε την ανάγκη για επαρκή αυτονομία που η τεχνολογία ηλεκτροκίνησης της εποχής εκείνης δε μπορούσε να προσφέρει .
Από το πετρέλαιο στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, όπως; Αυτά αντικατέστησαν τα άλογα [5]


Έναν αιώνα μετά, η ηλεκτροκίνηση έχει πλέον τεχνολογικά το προβάδισμα. Είναι φιλική προς το περιβάλλον, ενεργειακά αποδοτική και εξασφαλίζει αξιόλογες επιδόσεις. Τα βασικά της προβλήματα συνδέονται κυρίως με την εξασφάλιση των πρώτων υλών για την κατασκευή των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών τους (μπαταρίες) στην περίπτωση μαζικής παραγωγής σε παγκόσμια κλίμακα, το κόστος αλλά και την ταχύτητα φόρτισης και την αυτονομία τους.

Φορτίζουμε… για το μέλλον των ηλεκτρικών αυτοκινήτων με την αποθήκευση ενέργειας να φτάνει σε επένδυση τα $620 δισεκατομμύρια μέχρι το 2040

Τα τελευταία χρόνια, η αγορά ηλεκτρικών οχημάτων έχει αυξηθεί, με εκπληκτικό ρυθμό ανάπτυξης. Οι μπαταρίες νικελίου μεταλλουδριδίου (NiMH) είναι ένας από τους συνηθισμένους τύπους μπαταριών. Διεξάγονται περαιτέρω έρευνες για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας, του κύκλου ζωής και του κόστους. Επίσης, ο σχεδιασμός της διάταξης της μπαταρίας NiMH μαζί με τα χαρακτηριστικά φόρτισης-εκφόρτισης και οι επιδόσεις κατά τη διάρκεια των ετών μελετώνται.
Παρά το γεγονός ότι οι μπαταρίες λιθίου έχουν κυρίαρχο ρόλο στην αγορά μπαταριών, η προσπάθεια είναι να αναπτυχθούν οι μπαταρίες νικελίου μεταλλοϋδριδίου γιατί περιλαμβάνει πλήθος πλεονεκτημάτων τόσο σε διαδικασίες παραγωγικής σύνθεσης, σταθερότητας και απόδοσης. Οι νέες αναφορές μελετών δείχνουν μια υποστήριξη στην παγκόσμια αγορά για τις μπαταρίες νικελίου μεταλλοϋδριδίου.
Τα κύρια τμήματα του υβριδικού συστήματος αυτοκινήτων νέας τεχνολογίας της εταιρείας TOYOTA, όπως η μονάδα ελέγχου ισχύος (PCU) και η μπαταρία νικελίου υδριδίου μετάλλου είναι πιο συμπαγή και ελαφρύτερα, ενώ η νέα μπαταρία είναι 11% ελαφρύτερη σε σχέση με την μπαταρία που διαθέτει η προηγουμένη γενιά του υβριδικού συστήματος.



Αγορά μπαταρίας ανάλογα με τον τύπο για τη Βόρεια Αμερική, 2013 - 2024 (Σε δισεκατομμύρια δολάρια [6]
Με την έλευση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, η αγορά της μπαταρίας έχει αναπτυχθεί πολύ γρήγορα. Η χρήση των μπαταριών ως αποθηκευτικού μέσου σε συνδυασμό με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει μειώσει την έκλυση τοξικών αερίων. Έχει την ικανότητα να αντικαταστήσει τα συμβατικά καύσιμα που πρόκειται να εξαφανιστούν πολύ σύντομα. Μέχρι στιγμής, οι τιμές των μπαταριών μειώνονται κατά το μεγάλο περιθώριο και αναμένεται να συνεχιστούν περαιτέρω. Ειδικότερα, αναμένεται το πολλά υποσχόμενο μέλλον της αγοράς της μπαταρίας. Πάνω από 10 εκατομμύρια υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα που κυκλοφορούν σήμερα στο δρόμο τροφοδοτούνται από μπαταρίες NiMH για εφαρμογές κίνησης.



Παγκόσμια χρήση μπαταριών για αποθήκευση ενέργειας θα δούμε ότι θα φτάσει τα 1000 GW μέχρι το 2040 με κυρίαρχους την Αμερική και την Κίνα [7]
Συγκρίνοντας: έναν συνδυασμένο κύκλο φυσικού αερίου είναι κοντά σε $175/MWh και τι χρειαζόμαστε ‘Πίσω από τον Μετρητή’, τα κόστη αποθήκευσης σε αυτά τα συστήματα που τραβούν ισχύ από το δίκτυο (ας σκεφτούμε τα σπίτια και τις επιχειρήσεις) το σταθμισμένο κόστος ενέργειας είναι μεταξύ $800/MWh και $1300/MWh. Αυτό το κόστος είναι μεγάλο για τις εφαρμογές, οπότε είναι αρκετά τα βήματα που πρέπει ακόμη να κάνουμε ως επιστήμονες και μηχανικοί.


Οι παίχτες των αγορών

Κίνα, Αμερική, Ινδία, Ιαπωνία, Γερμανία, Γαλλία, Αυστραλία, Νότια Κορέα και το Ηνωμένο Βασίλειο κυριαρχούν στην αγορά της αποθήκευσης ενέργειας.
Οι εταιρείες στις μπαταρίες είναι η ABB (Ελβετία), LG Chem (Νότια Κορέα), NEC (Ιαπωνία), Panasonic (Ιαπωνία) [8], Samsung SDI (Νότια Κορέα), AEG Power Solutions (Ολλανδία), General Electric (Αμερική), Hitachi (Ιαπωνία), Siemens (Γερμανία), Tesla (Αμερική), BASF (Γερμανία). Παρατηρώντας την ανάπτυξή τους, συνεχώς αυξάνεται η επένδυση σε μπαταρίες για την αποθήκευση ενέργειας.
Οι πιο σημαντικοί παίχτες σε αυτοκίνητα και όχι μόνο μπαταρίες Νικελίου – Μεταλλικού Υδριδίου (Nickel-Metal Hydride NIMH):
             Philips (Oλλανδία),
             Siemens (Γερμανία)
             Medtronic Plc. (Ιρλανδία)
             Analog Devices, Inc. (Αμερική)
             NXP Semiconductors N.V. (Ολλανδία)

Για κίνηση εντός του αστικού ιστού η σημερινή τεχνολογία των συσσωρευτών είναι πλέον σε θέση να μας δώσει αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα με καλά χαρακτηριστικά και ικανοποιητική αυτονομία. Για μεγαλύτερες αποστάσεις, μέχρι οι νέες γενιές συσσωρευτών να μας εξασφαλίσουν καλύτερα χαρακτηριστικά, μπορούμε να εστιάσουμε σε τεχνολογίες αιχμής που μας υπόσχονται παροχή ενέργειας με καλύτερα χαρακτηριστικά, όπως είναι τα υβριδικά οχήματα.

Τα Υβριδικά Οχήματα

Ένα υβριδικό όχημα χρησιμοποιεί συνδυασμό διαφορετικών πηγών ενέργειας (συνήθως ηλεκτρική σε συνδυασμό με κάποια άλλη) για να παράγει κίνηση. Ο κύριος στόχος των υβριδικών κινητήρων είναι να βελτιωθεί η ενεργειακή απόδοση των οχημάτων και να μειωθούν στο ελάχιστο δυνατό οι εκπομπές αερίων ρύπων (συμπεριλαμβανομένου του CO2), εφόσον ένας από τους κινητήρας λειτουργεί με καύση. Αυτό επιτυγχάνεται με βέλτιστο σχεδιασμό των επιμέρους συστημάτων και του συνολικού συστήματος. Είχαμε επιτυχίες στην καύση βιώσιμων καυσίμων, συστήματα μετεπεξεργασίας καυσαερίων, συστήματα καύσης εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών, κυψέλες καυσίμου.
Σήμερα βρίσκονται πλέον όλα στην τελική ευθεία: η χρήση ηλεκτρικών αυτοκινήτων (μπαταρίες) που σε συνδυασμό με τις τεχνολογίες υδρογόνου (ταμιευτήρα και κυψέλη καυσίμου- hydrogen fuel cells) μπορούν να χαρακτηριστούν πλέον πράσινα υβριδικά συστήματα - οχήματα. Για τον ανεφοδιασμό τους, οι μεγάλες εγκαταστάσεις ηλεκτρόλυσης που παράγουν υδρογόνο μπορούν αυτή τη στιγμή να ανταγωνιστούν το κόστος παραγωγής μεθανίου [9]. Δεκάδες υδρογονάδικα ξεπηδούν πλέον μέσα από επενδύσεις εταιρειών ενέργειας που έως τώρα παραδοσιακά δραστηριοποιούνταν στον τομέα των ορυκτών καυσίμων. H Statoil έγινε Equinor, η Shell έγινε και Shell Hydrogen.
Πρέπει να δώσουμε τέλος στο CO2 στο περιβάλλον μας με κάθε τρόπο. Έχουμε και την τεχνολογία και την έρευνα για βιώσιμη ανάπτυξη!

 
Έχουμε υδρογόνο; Μπορούμε να έχουμε!!!...[10]

Έχουμε υδρογόνο; Μπορούμε να έχουμε!!!...[10]

Έχουμε υδρογόνο; Μπορούμε να έχουμε!!!...[10]

 



Πράσινο υδρογόνο εκτός δικτύου [11]




Υδρογόνο ή μπαταρίες για την αποθήκευση ενέργειας;

Η κάθε τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας διαθέτει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Οι τεχνολογίες έχουν μια ποικιλία από χαρακτηριστικά βασισμένα στην χωρητικότητα ενέργειας και στο χρόνο εκφόρτισης σε ονομαστική ισχύ.
Τα συστήματα αποθήκευσης σε μπαταρίες έχουν χαμηλότερη ενεργειακή χωρητικότητα και μικρότερο χρόνο εκφόρτισης από το υδρογόνο και γι’ αυτό θεωρούνται πιο κατάλληλα για αποθήκευση για μικρό χρονικό διάστημα. Οι μπαταρίες έχουν καλύτερη απόδοση, γρηγορότερο χρόνο απόκρισης από το υδρογόνο και αποτελούν πιο ώριμη τεχνολογία. Επιπλέον, είναι ευρύτερα αποδεκτές από το κοινό σε σχέση με το υδρογόνο εξαιτίας της καταστροφής του Hindenburg, που δεν έχει ακόμα φύγει από το μυαλό των ανθρώπων. Ας μην ξεχνάμε ότι μιλάμε για χρήση του υδρογόνου σε κυψέλες καυσίμου που είναι απολύτως ακίνδυνες γιατί η παραγωγή ενέργειας γίνεται ηλεκτροχημικά και όχι με καύση, παρότι βέβαια και η καύση υδρογόνου είναι απόλυτα ελεγχόμενη πλέον…μην ξεχνάμε ότι έχει τη μεγαλύτερη ταχύτητα διαφυγής.
Τα συστήματα υδρογόνου έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα ενέργειας και χρόνο εκφόρτισης σε ονομαστική ισχύ από τις μπαταρίες και αυτό τα καθιστά κατάλληλα για την αποθήκευση μεγάλης ποσότητας ενέργειας, η οποία εκφορτίζεται μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα. Επιπλέον, το υδρογόνο είναι ευέλικτο καύσιμο επειδή μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο στον τομέα μεταφορών όσο και ως πρώτη ύλη στην χημική βιομηχανία και όχι μόνο.
Πιθανότατα και οι δυο λύσεις θα παίξουν ξεχωριστό ρόλο στο βιώσιμο ενεργειακό μας σύστημα στο μέλλον εξαιτίας της ανάγκης για αποθήκευση είτε εποχιακής είτε για μικρό χρονικό διάστημα. Πάντως αναμενόμενο είναι οι μπαταρίες να έχουν μεγαλύτερο μερίδιο αγοράς αυτή την περίοδο, όμως στο άμεσο μέλλον; Ωστόσο, απ΄ όσο γνωρίζουμε υπάρχουν απεριόριστες ποσότητες υδρογόνου και σε αντίθεση με τα σπάνια μέταλλα που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες, η μακροπρόθεσμη βιώσιμη λύση αποθήκευσης ενέργειας θα είναι το υδρογόνο. Όπως και να έχει, έχουμε έναν ενδιαφέροντα δρόμο μπροστά μας μέχρι την οικονομία του υδρογόνου, η οποία θα υπερισχύσει σε σχέση με πολλές άλλες επιλογές αποθήκευσης...και τις μπαταρίες.
Οι μπαταρίες και το υδρογόνο έχουν συμπληρωματικούς ρόλους και η μια τεχνολογία να καλύπτει τις αδυναμίες της άλλης – με την έννοια αυτή δεν υπάρχει θέμα διεκδίκησης πρωτιάς στις εφαρμογές. 
Ελπίζουμε στην ενδυνάμωση της συνύπαρξης των δύο τεχνολογιών στον άξονα του εξηλεκτρισμού (electrification).




Δρ. Σοφοκλής Μακρίδης
Τεχνολογία Μεταλλικών Υλικών για ενεργειακές εφαρμογές (Τεχνολογίες Υδρογόνου)
Επίκουρος Καθηγητής
Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος
Πανεπιστήμιο Πατρών, Αγρίνιο
Email: smakridis@upatras.gr


Δρ. Επαμεινώνδας Μητρονίκας
Ηλεκτρικά Κινητήρια Συστήματα με έμφαση στην Εφαρμογή Ψηφιακής Τεχνολογίας και στους Κινητήρες Χαμηλής Ισχύος.
Επίκουρος Καθηγητής
Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών
Πανεπιστήμιο Πατρών, Πάτρα
Email: e.mitronikas@ece.upatras.gr

Πηγή φωτό: 

[1]          Αχελώος TV: Λευκάδα – Ημερίδα “Ενέργεια και Περιβάλλον” – Δράση 1,
https://www.acheloostv.gr/news/ Λευκάδα-Ημερίδα-Ενέργεια-και-Περιβάλ/
[2]          IEEE is Fueling the Fourth Industrial Revolution, https://innovate.ieee.org/innovation-spotlight-ieee-fueling-fourth-industrial-revolution/
[3]          US Energy Administration, Transportation sector energy consumption, https://www.eia.gov/outlooks/ieo/pdf/transportation.pdf
[4]          Europa Environmental Agency, Greenhouse gas emissions from transport in Europe, https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/transport-emissions-of-greenhouse-gases/transport-emissions-of-greenhouse-gases-11
[5]          From petrol to electric vehicles, like cars replacing horses, https://nztech.org.nz/2017/11/28/petrol-electric-vehicles-like-cars-replacing-horses/
[6]          Electric Vehicle Battery Market Analysis: Nickel Metal Hydride, https://www.researchgate.net/figure/North-America-battery-market-revenue-by-product-2013-2024-Billion-US-Dollars-18_fig7_332496990
[7]          Energy Storage Investments Boom As Battery Costs Halve in the Next Decade, https://about.bnef.com/blog/energy-storage-investments-boom-battery-costs-halve-next-decade/
[8]          Toyota, Panasonic announce battery venture to expand EV push, https://www.reuters.com/article/us-toyota-panasonic/toyota-panasonic-announce-battery-venture-to-expand-ev-push-idUSKCN1PG0MP
[9]          Grid-connected hydrogen production via large-scale water electrolysis, T.Nguyen, Z.Abdin, T.Holm, W.Mérida, Energy Conversion and Management, Volume 200, 15 November 2019, 112108, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890419311148
[10]        Car and Driver, Η αλήθεια για το υδρογόνο
[11]        Πράσινο υδρογόνο εκτός δικτύου https://renews.biz/55614/tractebel-eyes-green-hydrogen-offshore/