Fuell cells

Σε προηγούμενο θέμα του blog μας είχε αναφερθεί η τεχνολογία των fuell cells, ως μία πολύ ελκυστική και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
>Σε αυτό το σημείο πρέπει να εξηγήσουμε ότι οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε μεγάλη ποικιλία καυσίμων, όμως εμείς θα επικεντρωθούμε στις κυψέλες καυσίμου που χρησιμοποιούν υδρογόνο, λόγο του οικολογικού ενδιαφέροντος που παρουσιάζουν
Γι' αυτό το λόγο ας δούμε λίγα περισσότερα πράγματα για αυτήν.

ΙΣΤΟΡΙΚΑ.

Η κυψέλη καυσίμου αποτελεί ένα μηχανισμό για την ηλεκτροχημική μετατροπή της ενέργειας μετατρέποντας υδρογόνο και οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα με τη διαδικασία αυτή, ηλεκτρισμό και θερμότητα. Η πρώτη κυψέλη φτιάχτηκε από τον Sir William Grove , το 1839. Ωστόσο η συστηματική έρευνα πάνω σε αυτές άρχισε μόλις τη δεκαετία του '60, όταν η NASA χρησιμοποίησε κυψέλες καυσίμου στο διαστημικό σκάφος Gemini και Apollo ως φθηνότερη λύση από την ηλιακή ενέργεια.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

Η λειτουργία των κυψελών καυσίμου στηρίζονται σε μία απλή φυσική ιδιότητα των μορίων του υδρογόνου 2H2 και του οξυγόνου O2 , όταν βρίσκονται κοντά έχουν την τάση να ενωθούν. Εάν τώρα χωρίσουμε το υδρογόνο και το οξυγόνο με μία πολυμερισμένη μεμβράνη, η τάση που έχουν τα δύο διαφορετικά μόρια, να ενωθούν, τα ωθεί να κινηθούν μέχρι να πραγματοποιηθεί αυτή η ένωση. Αυτή η κίνηση των ηλεκτρονίων των μορίων, παράγει ρεύμα και η ένωση των μορίων , νερό.
Με περισσότερη φυσική.
Το υδρογόνο τροφοδοτεί την άνοδο της κυψέλης, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο ερχόμενο σε επαφή με τον καταλύτη διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Η άνοδος και ο καταλύτης είναι τέτοιας κατασκευής ώστε η διάχυση των ατόμων του υδρογόνου να γίνεται με ομογενή τρόπο. Τα ηλεκτρόνια τα οποία απελευθερώθηκαν μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος προς την άνοδο δημιουργώντας ηλεκτρισμό αφού η μεμβράνη αποτρέπει τη διέλευση τους μέσω αυτής. Για αυτό το λόγο άνοδος και καταλύτης διαλέγονται αγώγιμα υλικά.
Τα θετικά φορτισμένα ιόντα του υδρογόνου (στην ουσία αναφερόμαστε σε μεμονωμένα πρωτόνια) διαπερνούν τη μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνου το οποίο τροφοδοτεί την κάθοδο, το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο, και παράγεται νερό. Στο σχηματισμό του νερού συμμετέχουν εκτός των μορίων του οξυγόνου και των ιόντων του υδρογόνου, τα ηλεκτρόνια τα οποία διοχετεύθηκαν μέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο, στην αρχή της διαδικασίας.
Οι κυψέλες καυσίμου, fuell cells, έχουν μερικά μοναδικά πλεονεκτήματα τα οποία τις κάνουν άξιες μελέτης.

• Συναντώνται σε ευρύ φάσμα μεγεθών
• Έχουμε χρήση σε πολλές εφαρμογές
• Αποτελεσματικά και αθόρυβα
• Αποτελεσματικά = 40-60% σε αντίθεση με τις συμβατικές μηχανές που πετυχαίνουν 20%
• Χαμηλές έως μηδενικές εκπομπές ρύπων
• 45% μείωση των ρύπων σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις
• Μηδενικές εκπομπές με καύσιμο υδρογόνο
• Αθροιστική δράση για την επίτευξη της επιθυμητής ισχύος
• Τάση ανά κυψέλη 0.7V
• Συσσώρευση πολλών μαζί οδηγεί αθροιστικά στην επιθυμητή τάση
• Χαμηλή εκπομπή θερμότατος
• Χρήση σε πολεμικές εφαρμογές
• Δύσκολη ανίχνευση πλοίων-υποβρηχίων.


ΧΡΗΣΕΙΣ.

Αυτοκίνητα

Τα αυτοκίνητα που κάνουν χρήση κυψέλες καυσίμων είναι μια ελκυστική πρόοδος από τα ηλεκτρικά που απαιτούν μπαταρίες. Προσφέρουν τα πλεονεκτήματα αυτών των οχημάτων με τις μπαταρίες αλλά μπορούν επίσης να ανεφοδιαστούν σε καύσιμα γρήγορα και θα μπορούσαν να πάνε σε μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των ανεφοδιασμών. Οι μελέτες από τις αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η General Motors έδειξαν ότι οι μηχανές αυτοκινήτων των κυττάρων καυσίμων θα μπορούσαν να παραχθούν σχεδόν με την ίδια τιμή όπως μια μηχανή εσωτερικής καύσεως
Ως αναφορά την ασφάλεια, τα αυτοκίνητα υδρογόνου είναι εξίσου ασφαλή με τα κανονικά αυτοκίνητα. Αποδεικνύεται ότι σε τυχόν διαρροή και ανάφλεξη αν συγκρίνουμε Υδρογόνο και βενζίνη, το υδρογόνο ανεβαίνει (ως ελαφρύτερο του αέρα) και διασκορπίζεται στην ατμόσφαιρα καιγόμενο προς τα πάνω (δύσκολα δημιουργούνται οι απαιτούμενες συγκεντρώσεις για έκρηξη), ενώ η βενζίνη δεν διαχέεται και καίγεται στο σημείο διαρροής αποδίδοντας δηλητηριώδεις αναθυμιάσεις ( CO , CO2 κλπ.).
Όσο για την αποθήκευση του υδρογόνου, ενώ η έρευνα συνεχίζεται, ήδη προτείνονται πολλές εφικτές και ασφαλείς λύσεις όπως: Αποθήκευση: α) με τη μορφή μεθανόλης, β) σε δεξαμενές υψηλής πίεσης, γ) σε υγρή κατάσταση (-253 οC) σε ειδικές δεξαμενές, δ) με τη μορφή μεταλλικών υβριδίων, και ε) σε νανοσωλήνες άνθρακα Για δε τη μεταφορά του προτείνονται αγωγοί, και οχήματα μεταφοράς, αλλά και …επιτόπια παραγωγή!
Οι κυψέλες καυσίμων που χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως καύσιμο θα είχαν μηδενικές εκπομπές καυσαερίων και θα είναι επίσης αποδοτικότερες από τα αυτοκίνητα που βασίζονται σε μπαταρίες. Επιπλέον, τα αυτοκίνητα των κυψελών καυσίμων θα μπορούσαν να παραγάγουν λιγότερα "σε όλο το σύστημα της παραγωγής" αέρια του θερμοκηπίου -- λαμβάνοντας υπόψη όλες τις εκπομπές που συνδέθηκαν με την επεξεργασία των καυσίμων και τη χρήση τους. Ένα από τα πρώτα πετυχημένα αυτοκίνητα υδρογόνου είναι το FCX Clarity το οποίο πουλιέται μόνο στην πολιτεία της california US καθώς μόνο εκεί τα βενζινάδικα είναι εφοδιασμένα με δεξαμενές και αντλίες υδρογόνου.

http://world.honda.com/FuelCell/

Πλοία

Το Hydrogen Hybrid Harbour Tug (HHHT), αναπτύχθηκε από την WorldWise Marine μαζί με τους Ολλανδούς διαχειριστές ρυμουλκών Iskes και Smit. Πρόκειται για ένα πλοίο 50 τόνων που είναι εξοπλισμένο με κυψέλες καυσίμου και υδρογόνου. Η καινοτομία εντοπίζεται στο γεγονός ότι οι κυψέλες καυσίμου σε συνδυασμό με μπαταρίες εξασφαλίζουν επαρκή ισχύ για να λειτουργεί το ρυμουλκό όταν είναι σε κατάσταση αναμονής που είναι το 85% του χρόνου λειτουργίας του πλοίου. Το ντίζελ χρησιμοποιείται όταν το ρυμουλκό έχει να φέρει σε πέρας μία αποστολή. «Μπορούμε να επιτύχουμε μία μείωση κατά 98% των εκπομπών οξειδίων του θείου και αζώτου και μέχρι 30% των συνολικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακος σε σύγκριση με ένα συμβατικό ρυμουλκό», δήλωσε ο κ. Michiel Wijsmuller, διευθύνων σύμβουλος της Offshore Ship Designers
http://www.maritimejournal.com/features/tugs,-towing,-pollution-and-salvage/tugs,-towing-and-salvage/owners-turn-their-attention-to-greener-tugs

Υποβρύχια

Το υποβρύχιο type U 214 με εκτόπισμα 1700 τόνους και 65 μέτρα μήκος, είναι το πρώτο που χρησιμοποιεί σύστημα αναερόβιας πρόωσης που λειτουργεί με συνδυασμό μηχανής ντίζελ και κυψέλες καυσίμου. Κατασκευάζεται από την Hyundai Heavy industries co στο Ulsan της νοτίου Κορέας και τα γερμανικά ναυπηγεία Howaldtswerke-Deutsche Werft. Το έχουν στην κατοχή τους οι Γερμανία, Αμερική και πρόσφατα η νότιος Κορέα και η Ελλάδα. Το υποβρύχιο αυτό κινείται από κυψέλες καυσίμου υδρογόνου τύπου PEMFC 120 kWe το οποίο αποθηκεύεται σε μεταλλικά υδρίδια και από ηλεκτρικές μπαταρίες.

http://en.wikipedia.org/wiki/Type_214_submarine

Πράσινα πλοία=>καθαρές θάλασσες

Πρόσφατα γίναμε μάρτυρες μιας ακόμη τεράστιας οικολογικής καταστροφής με την έκρηξη της δεξαμενής άντλησης πετρελαίου στον κόλπο του Μεξικό.Οι επιπτώσεις που προκάλεσε η εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας στο θαλάσσιο πλούτο της κεντρικής Αμερικής ήταν οδυνηρές και δυστυχώς συνεχιζόμενες.Ανάλογα ατυχήματα βεβαίως,είχαν συμβεί και στο παρελθόν όπως για παράδειγμα η βύθιση των tankers Exxon Valdez και Prestige στην Αλάσκα και στην Ισπανία αντίστοιχα.Ενδεικτικά να αναφέρουμε πως η ναυτιλία εκτιμάται ότι ευθύνεται για το 1,4-4,5% της παγκόμιας εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα,ενώ τα εμπορικά πλοία παράγουν περισσότερο διοξείδιο του θείου απ'όλα τα αυτοκίνητα και της νταλίκες του κόσμου!Επειδή όμως κάθε νόμισμα έχει δύο όψεις,έτσι και στην περίπτωση μας,όλο και περισσότερα είναι τα ναυπηγεία τα οποία έχουν στα σκαριά τους,την κατασκευή πλοίων τα οποία χρησιμοποιούν ως μέσο πρόωσης ανανεώσιμες μορφές ενέργειας,με κυριότερες αυτών την αιολική και την ηλιακή ενέργεια.Μερικά παραδείγματα eco-friendly πλοίων βρίσκονται παρακάτω:

Orcelle:Η συμβολική ονομασία του παραπέμπει σε ένα είδος δελφινιού εν ονόματι Irrawandi το οποίο βρίσκεται υπό εξαφάνιση.Πρόκειται για ένα επιβατηγό-οχηματαγωγό πλοίο Ro-Ro,το οποίο για την κίνησή του θα χρησιμοποιεί την ηλιακή ενέργεια η οποία θα συλλέγεται μέσω τεράστιων ιστίων panels και τα οποία θα εκμεταλλεύονται ακόμη και την αιολική ενέργεια,λειτουργώντας ταυτόχρονα και ως πανία!Ακόμη θα εκμεταλλεύονται και την ενέργεια των κυμμάτων.Να σημειωθεί ότι η μισή ενέργεια του πλοίου θα παράγεται από fuell cells,η οποία αποτελεί την πλέον ραγδαία αναπτυσσόμενη ΄πράσινη΄ τεχνολογία.Το Orcelle έχει μήκος 270 μέτρων,μπορεί να μεταφέρει με άνεση 10.000 οχήματα,ενώ η υπηρεσιακή του ταχύτητα φτάνει τους 15 κόμβους.

Planetsolar:Πρόκειται για το μεγαλύτερο ηλιακό πλοίο το οποίο κινείται εξ΄ολοκλήρου με ηλιακή ενέργεια!Το τριανταενός μέτρων τύπου Catamaran πλοίο διαθέτει πλευρικά πτερύγια τα οποία ενισχύουν την ευστάθειά του,500 τετραγωνικά μέτρα ηλιακών συλλεκτών στο κατάστρωμα του,αλλά και πάλλευκο πιλοτήριο στο μέσο της υπερκατασκευής.Το Planetsolar έχει εκτόπισμα 60 τόνων,μπορεί να φιλοξενήσει μέχρι 50 επιβάτες πλέοντας ταυτόχρονα με ταχύτητα 15 κόμβων.Το πρωτότυπο αυτό πλοίο κατασκευάστηκε από το ναυπηγείο Knierim Yacht Club του Κιέλου,καθελκύθηκε μόλις τον προηγούμενο μήνα και οι κατασκευαστές του έχουν ως στόχο τον περίπλου της Γης σε 140 μέρες μέσα στο 2011.

MV Beluga:Το φορτηγό αυτό πλοίο κινείται με αιολική ενέργεια.Στηρίζεται στην τεχνολογία Skyskails(ουράνια ιστία),όπου το πλοίο ρυμουλκείται από κομπιούτερ αετούς!Τα ιστία αυτά μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου από 30 έως 50% ανάλογα βεβαίως με τους ανέμους που πνέουν.Το MV Beluga καθελκύθηκε στο Αμβούργο στο τέλος του 2007.Το πιο σημαντικό είναι ότι η τεχνολογία Skyskails μπορεί να εφαρμοστεί σε περίπου 60.000 από τα 100.000 ανεξαρτήτου τύπου πλοία,που είναι καταγεγραμμένα στον κατάλογο της Lloyds.Αν το εγχείρημα του μηχανικού-εφευρέτη των Skyskails,Στέφαν Βράγκε πετύχει,εκτιμάται ότι οι εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα θα μειωθούν κατά 142 εκατομμύρια τόνους ετησίως,ποσότητα αντίστοιχη του 15% των συνολικών εκπομπών στη Γερμανία.

Vicking Lady:Το πρώτο εμπορικό πλοίο που κινείται με υγροποιημένο αέριο αντί του ρυπογόνου πετρελαίου.Εκτιμάται ότι σύντομα η εν λόγω τάση θα κυριαρχήσει στην παγκόσμια αγορά.Κατασκευάστηκε από Νορβηγούς,η μηχανή του είναι πιο οικονομική από τις συμβατικές που καίνε μαζούτ,οι εκπομπές των καυσαερίων είναι αμελητέες,ενώ εξίσου σημαντικό είναι το γεγονός ότι με μια απλή μετατροπή μπορεί να χρησιμοποιήσει βιοκαύσιμα(παλαιότερο θέμα στο blog).

Παρόλο που βρισκόμαστε πολύ μακριά από την εποχή όπου τα πλοία θα χρησιμοποιούν απολύτως φιλικές ως προς το περιβάλλον μορφές ενέργειας,τέτοιες προσπάθειες όπως οι παραπάνω είναι αξιέπαινες.Να σημειωθεί ακόμη πως τα φωτοβολτα΄ι΄κά στοιχεία μειώνουν την κατανάλωση καυσίμου κατά 6,5%,ενώ η συνολική ημερήσια εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα μειώνεται κατά 1-2%.Βεβαίως το κόστος τέτοιων πλοίων είναι συνύθως κατά πολύ μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των συμβατικών,γεγονός που σε περίοδο οικονομικής κρίσης θέτει στις ναυτιλιακές εταιρίες το εξής ερώτημα:Θέλουμε καθαρότερο περιβάλλον ή ελαχιστοποίηση του κόστους κατασκευής;