To υδρογόνο αποτελεί τη βάση για τη μετάβαση στη μεταλιγνιτική εποχή. Ο βασικός λόγος για τον οποίο η ΕΕ κινείται στην κατεύθυνση του υδρογόνου μέσω της Πράσινης Συμφωνίας, στο πλαίσιο της οποίας έχουν δεσμευτεί 470 δισ. ευρώ για τις αντίστοιχες επενδύσεις, είναι το γεγονός πως η αξιοποίησή του δεν επιφέρει ρύπους άνθρακα, ενώ υπάρχει και η βάση και η ανάγκη για να παράγεται «πράσινο» υδρογόνο.
του Σοφοκλή Μακρίδη,
αναπληρωτή καθηγητή Πανεπιστημίου Πατρών, διευθυντή του Εργαστηρίου Φυσικής Περιβάλλοντος και Τεχνολογιών Υδρογόνου
Η επιβαρής για το περιβάλλον τεχνολογία θερμοχημικής επεξεργασίας ορυκτών καυσίμων, που βρίσκει ευρεία εφαρμογή αυτήν τη στιγμή σε όλο το φάσμα του δομημένου περιβάλλοντος, είναι δυνατό να αντικατασταθεί με τεχνολογία υδρογόνου για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών όλων των ειδών.
Ειδικότερα στον τομέα της οικιστικής ζώνης (κτήρια), όπου είναι ιδιαίτερα έντονο το στοιχείο των καυσαερίων, το υδρογόνο προσφέρει ενεργειακή αυτονομία, μηδενικούς ρύπους και κάλυψη ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών ταυτόχρονα, ενώ το λειτουργικό κόστος είναι υποπολλαπλάσιο εκείνου των υφιστάμενων συστημάτων (πετρέλαιο θέρμανσης, CNG).
Τα χρώματα του υδρογόνου
Οι μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου έχουν κατηγοριοποιηθεί με τέσσερα χρώματα που καθορίζουν τον αντίκτυπο ενός ολοκληρωμένου συστήματος υδρογόνου στο περιβάλλον και το κόστος λειτουργίας του. Ως «πράσινο» λογίζεται το υδρογόνο που παράγεται χωρίς εκπομπές ρύπων, μέσα από διάσπαση του νερού με χρήση τεχνολογιών ΑΠΕ (ηλεκτρόλυση ή θερμόλυση). Το «γκρι» υδρογόνο παράγεται από καύση-αεριοποίση-μερική οξείδωση υδρογονανθράκων με απευθείας εκπομπή ρύπων στην ατμόσφαιρα.
Ωστόσο, το «γκρι» υδρογόνο γίνεται «μπλε» εάν δεσμεύσει κανείς μεγάλο ποσοστό των αερίων ρύπων με τις αντίστοιχες τεχνολογίες (Carbon Capture & Storage/Utilization). Τέλος, ως «τιρκουάζ» ορίζεται το υδρογόνο που παράγεται από την καταλυτική πυρόλυση (θερμική αποσύνθεση) βιομάζας και μικροβιακής ηλεκτρόλυσης της υγρής φάσης που προκύπτει.
Αποθήκευση υδρογόνου
Η αποθήκευση του υδρογόνου είναι ιδιαίτερα σημαντική, «το άγιο δισκοπότηρο», εάν λάβει κανείς υπόψη και τη φύση του (τη μεγαλύτερη ταχύτητα διαφυγής). Σε ό,τι αφορά τις εφαρμογές σε οικιστική ζώνη ή ακόμη και βαριά βιομηχανία, συναντά κανείς ταμιευτήρες υψηλής πίεσης υδρογόνου (τυπικά μεταξύ 200-700 bar, για την υγροποίηση απαιτείται πίεση ~1730 bar ή χαμηλές θερμοκρασίες), ενώ σε κάποιες περιπτώσεις είναι πιθανό να αποθηκεύεται υδρογόνο και σε ταμιευτήρες με σκόνη μεταλλικών υδριδίων, όπου δεσμεύεται σε χαμηλές συνθήκες πίεσης και αποδεσμεύεται με αύξηση της θερμοκρασίας του ταμιευτήρα σε λογικά πλαίσια (θερμό ρευστό).
PEM κυψέλες καυσίμου
Οι PEM κυψέλες καυσίμου υδρογόνου είναι ηλεκτροχημικές συστοιχίες που δέχονται υδρογόνο σε συγκεκριμένες καθαρότητες και πιέσεις, ανάλογα με την κατασκευή. Οι κυψέλες αποδίδουν ηλεκτρική ισχύ και θερμό νερό (περίπου 45οC με 50οC) και οι αποδόσεις τους κινούνται μεταξύ 47%-71%.
To εισερχόμενο διατομικό υδρογόνο διασπάται στα συνθετικά του, δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια διαπερνούν την πολυμερική μεμβράνη, ενώ τα ηλεκτρόνια αναγκαστικά μεταφέρονται στην κάθοδο μέσω εξωτερικού κυκλώματος (λόγω αρνητικού φορτίου), παράγοντας έτσι ηλεκτρικό ρεύμα. Στην κάθοδο παράγεται νερό από το διατομικό υδρογόνο που επανασχηματίζεται και το οξυγόνο που παρέχεται ως συστατικό του αέρα.
Το θερμό νερό είναι το ιδανικό θερμό ρευστό για τη θέρμανση ενός κτηρίου, μέσω σωληνώσεων που κάθε κτηριακή εγκατάσταση διαθέτει, και η ηλεκτροδότηση και θέρμανση από υδρογόνο (heat & power system) ανεβάζει την απόδοσή της σε επίπεδα λέβητα πετρελαίου με πολύ χαμηλότερο λειτουργικό κόστος και μηδενικές εκπομπές ρύπων.
Εσωτερική καύση υδρογόνουΟι θερμικές μηχανές έχουν αποκτήσει αρνητική φήμη, λόγω του τύπου καυσίμου που εδώ και δεκαετίες αξιοποιεί τους υδρογονάνθρακες. Η τεχνολογία, ωστόσο, είναι αρκετά ώριμη και με τη χρήση υδρογόνου είναι σε θέση να καλύψει μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις. Ως προς το λειτουργικό κομμάτι, μια μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) υδρογόνου διαφέρει από μια συμβατική σε ορισμένα καίρια σημεία (αναφλεκτήρες, γεωμετρία των κυλίνδρων, δάκτυλοι στα έμβολα, στοίχιση των κυλίνδρων, τρόπος αερισμού της κεφαλής και χρόνος αλλαγής ελαίων του κινητήρα, μεταξύ άλλων). Την τρέχουσα περίοδο, υπάρχουν έτοιμες ΜΕΚ υδρογόνου με απόδοση ισχύος έως και 4 ΜW, των οποίων οι απαιτήσεις καθαρότητας καυσίμου είναι αρκετά χαμηλές, κάτι που σημαίνει ότι οι μηδενικές εκπομπές άνθρακα συνδυάζονται με πολύ χαμηλό κόστος καυσίμου. Οι παραπάνω μηχανές είναι ιδανικές για αποκεντρωμένο powerplant ή για χρήση σε μία μόνο κτηριακή εγκατάσταση, λόγω της ευελιξίας τους. Το υδρογόνο είναι ο βασικός πυλώνας ενός μοντέλου κυκλικής ενεργειακής οικονομίας, καθώς μπορεί να παραχθεί από όλα τα είδη των αποβλήτων, ακόμη και από πολυμερή (έρευνα Oxford University), ενώ η αξιοποίησή του παράγει νερό. Μέσα από την ευρεία εξάπλωση των τεχνολογιών, είναι δυνατή και η συμπαραγωγή υδρογόνου με ανανεώσιμους υδρογονάνθρακες (bio-oil processing+microbial electrolysis), οι οποίοι θα αξιοποιούνται για την παραγωγή «μπλε» υδρογόνου μέχρι να μην είναι πλέον αναγκαιότητα και η μετάβαση στην «πράσινη» εποχή να έχει ολοκληρωθεί. Τελικά, ο κύκλος νερού μπορεί να δώσει μια ανάσα στον πλανήτη μας και αν κάποιος αναζητά περίπτωση εφαρμογής υδρογόνου σε κάποιο πανεπιστήμιο, είναι εύκολο να το δει στο Ηνωμένο Βασίλειο. |
Εξοικονόμηση ενέργειας και αποδοτικότητα
Η εξοικονόμηση ενέργειας και η αποδοτικότητα αποτελούν σημαντικό μέρος της πράσινης αγροτικής παραγωγής. Τα κτήρια καταναλώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας για τον φωτισμό, τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών και του εργαστηριακού εξοπλισμού, καθώς και για την ψύξη και τη θέρμανση με κλιματιστικά (A/C) σε εγκαταστάσεις φύλαξης και μεταποίησης προϊόντων.
Η χρήση υδρογόνου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή/και την καύση αποτελεί την πλέον ιδανική λύση για μηδενικές εκπομπές άνθρακα, με χρηματοδοτήσεις από πολλούς τομείς. Με την τοποθέτηση αυτόνομων συστημάτων παραγωγής και αποθήκευσης υδρογόνου στις αγροτικές εγκαταστάσεις μπορούν να καλυφθούν οι ενεργειακές απαιτήσεις του αγροτικού συγκροτήματος, προστατεύοντας παράλληλα το περιβάλλον.
Η εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως το βρόχινο νερό, που συγκεντρώνεται σε υψηλή περιεκτικότητα στις ειδικές δεξαμενές στα θεμέλια, σε συνδυασμό με την άντληση ενέργειας από ολοκληρωμένα συστήματα ανεμογεννητριών και φωτοβολταϊκών, έχουν ως αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση των ρύπων και της ενέργειας που καταναλώνεται.
Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου. Η ηλιακή ή αιολική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική και τροφοδοτεί έναν ηλεκτρολύτη, ο οποίος διασπά τα μόρια του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο.
Το υδρογόνο χρησιμοποιείται για να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες του κτηρίου, ενώ το οξυγόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και για ιατρικούς σκοπούς. Αυτό που πρέπει να τονιστεί είναι ότι χάρη στην χρήση του υδρογόνου και των υπολοίπων ΑΠΕ, το πράσινο κτήριο είναι ενεργειακά αυτόνομο.
Για την επιπλέον διευκόλυνση στην εξοικονόμηση ενέργειας ενδείκνυται η χρήση αισθητήρων και χρονομετρητών για τους φωτισμούς, ενεργειακών λαμπτήρων, η επιλογή λιγότερο ενεργοβόρων ηλεκτρικών συσκευών και η εγκατάσταση παθητικών συστημάτων θέρμανσης και δροσισμού. Τα συστήματα Η/Υ και εναλλασσόμενου ρεύματος μπορούν να μειώσουν το επίπεδο ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται με τον έλεγχο των ωρών λειτουργίας και τα επίπεδα εξυπηρέτησης.
Διαχείριση αποβλήτων
Η διαχείριση των αποβλήτων αφορά τόσο τα στερεά, όσο και τα υγρά απόβλητα. Τα πράσινα πανεπιστήμια πρέπει να προωθούν την ανακύκλωση, τη μείωση και την επαναχρησιμοποίηση των αποβλήτων, πάντα στο μέτρο του δυνατού. Θα πρέπει να δημιουργηθούν σημεία ανακύκλωσης με διαφορετικούς τύπους κάδων.
Σε αυτά τα σημεία ανακύκλωσης συλλέγονται στερεά απόβλητα όπως χαρτί, πλαστικό, μπουκάλια, κονσέρβες αλουμινίου, μπαταρίες κ.λπ. Τα απόβλητα που προκύπτουν από τρόφιμα επεξεργάζονται σε μηχανήματα κομποστοποίησης για την παραγωγή λιπάσματος για τη γεωργία. Έμφαση θα πρέπει να δοθεί στην κυκλική οικονομία, κατά την οποία τα απόβλητα μεταποιούνται, επεξεργάζονται και χρησιμοποιούνται σαν πρώτες ύλες για την παρασκευή νέων προϊόντων.
Η χρήση υδρογόνου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί την πλέον ιδανική λύση για μηδενικές εκπομπές άνθρακα. Με την τοποθέτηση αυτόνομων συστημάτων παραγωγής και αποθήκευσης στις αγροτικές εγκαταστάσεις μπορούν να καλυφθούν οι ενεργειακές, απαιτήσεις του αγροτικού συγκροτήματος, προστατεύοντας παράλληλα το περιβάλλον.
Το κλειδί για την επιτυχία
✱ Πράσινη πολιτική και ευαισθητοποίηση
✱ Εσωτερίκευση των υπαρχόντων δομών του εξωτερικού.
✱ Κοινοτική δέσμευση και κοινωνική αντίληψη.
Έχει αναπτυχθεί ένα καινοτόμο σύστημα ανανεώσιμων πηγών υδρογόνου και έχει αξιολογηθεί η εφαρμογή του για να ταιριάζει στο έργο Smart Hydrogen. Το ανεπτυγμένο ολοκληρωμένο σύστημα απεικονίζεται στο σχήμα, το οποίο περιλαμβάνει τα ακόλουθα υποσυστήματα και εξαρτήματα:
1. Γεννήτρια ανανεώσιμης ενέργειας συνολικής ισχύος 800 kWp Solar PV:
● 250 kWp ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα συνδεδεμένο στον δίαυλο μικροπλέγματος AC.
● 650kWp ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα συνδεδεμένο στον δίαυλο μικροπλέγματος DC.
2. Σύστημα μετατροπής ισχύος σε αέριο και ξανά σε ισχύ (P2G2P):
● Ηλεκτρολύτης PEM 500 kW στον δίαυλο μικροπλέγματος DC.
● Δεξαμενή αποθήκευσης υδρογόνου 400 kg (πεπιεσμένο αέριο 350 bar).
● 150 kW PEM κυψέλη καυσίμου.
● 240 kW AC/DC μετατροπέας συνδεδεμένος μεταξύ των διαύλων μικροπλέγματος AC και DC.
3. 200 kWh μπαταρία ιόντων λιθίου συνδεδεμένη στον δίαυλο μικροπλέγματος DC.
4. Έξυπνο σύστημα διαχείρισης ενέργειας.
5. Σύστημα ύδρευσης (εγκατάσταση συμπύκνωσης και ηλιακής αφαλάτωσης συν δεξαμενές βρόχινου νερού).
6. Σύστημα ανακύκλωσης (απόβλητα σε ισχύ και αέριο).
7. 5 κιλά ημερησίως φορτίο υδρογόνου για οικιακή ζήτηση και οχήματα κυψελών καυσίμου.
8. Σταθμός ανεφοδιασμού υδρογόνου.
9. Σταθμός φόρτισης EV.
10. Δημιουργία εφεδρικών αντιγράφων ασφαλείας.
Παράδειγμα
Υπάρχουν τρακτέρ υδρογόνου (φωτό), ενώ και σε θερμοκήπια υδροπονίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί το υδρογόνο για θέρμανση ή/και ηλεκτροπαραγωγή. Σε αυτό το τρακτέρ, οι μπουκάλες στην οροφή περιέχουν συμπιεσμένο υδρογόνο, τροφοδοτώντας κυψέλη καυσίμου που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα για τον ηλεκτροκινητήρα του.
Στην περίπτωση ενός αγροτικού συγκροτήματος με παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμοκηπίου υδροπονίας, υπάρχουν, ενδεικτικά, δυνατότητες επένδυσης και μεγάλης απόδοσης, με χρηματοδότηση.
