ΑΡΧΑΙΑ ΙΘΩΜΗ

PD Dr.-Ing. Georg Chaziteodorou Bleibergweg 114 D-40885 RatingenTel.+ Fax: 0049 2102 32513   E-Mail: chaziteo@t-online.de

            03.05.2021

                                                               Γ. Θ. Χατζηθεοδωρου                                                                                                   

Η μεταβαση απο τα υγρα καυσιμα αυτοκινητων με συμβατικες μηχανες εσωτερικης καυσης προς την ηλεκτροκινηση,   υδρογονοκινηση και κινησεις με αμεση μεθανολη και φυσικο αεριο ως καυσιμα κρυας καυσης κυψελων, θα επικρατησει σε λιγο και στην Ελλαδα, σε εξαρτηση φυσικα απο την επιλυση των πρακτικων προβληματων, ως χρονος φορτισης, αυτονομια, δικτυο φορτισης, αναμορφωση φυσικου αεριου, μειωση τιμης κλπ.

Σπουδαιο ρολο θα παιξει επισης και η δυνατοτητα αποθηκευσης εισαγομενου φυσικου αεριου στον υπογειον φυσικον χωρον, στο εξαντληθεν κοιτασμα φυσικου αεριου Νοτιος-Καβαλα, στην θαλασσια περιοχη απεναντι απο τον οικισμο Καληραχη δυτικα της νησου Θασος

(ιδε αρθρο του κ. L. Speel με τιτλο «The development oft he oil and gas fields Prinos and South Kavala, Erdoel-Erdgas-Zeitschrift, 98. Jg., Juli 1982, S. 238-248 »).

Η τετραποδη πλατφορμα στην θαλασσια περιοχη δυτικα του οικισμου Καληραχη της νησου Θασος, τοποθετηθηκε για τεσσερες γεωτρησεις παραγωγης φυσικου αεριου με συνδεση της πλατφορμας δια αγωγου μεταφορας φυσικου αεριου εως τις εγκαταστασεις εμπλοτισμου στην Νεα Καρβαλη Καβαλας.

Η πλατφορμα αυτη σχεδιαστηκε για μεγιστη ημερησια αντληση 300.000 κανονικων κυβικων μετρων φυσικου αεριου, πιεσης υψηλης 140 bar και χαμηλης 70 bar.

Το αρχικο ποσο φυσικου αεριου που ηταν αποθηκευμενο στο αποθεματικο πετρωμα του κοιτασματος ειχε υπολογισθει μα 1.157 x 10 στην 6 κανονικα κυβικα μετρα.

Για την προετοιμασια του κοιτασματος ως χωρο αποθηκευσης (νεες γεωτρησεις, συμπιεστες φυσικου αεριου, νεος αγωγος μεταφορας εως τις εγκατασεις εμπλοτισμου στην Νεα Καρβαλη, ορισμενες μετατροπες στο καταστρωμα της πλατφορμας κλπ.) κατα παλαιους υπολογισμους του γραφοντος, θα απαιτηθει επενδυση υψους περιπου 300 εκατομμυρια δολαρια των ΗΠΑ.

Ο πλανητης μας ειναι μεν οριστικος, οι αποθηκευμενες ομως μεσα του ενεργειακες πηγες ειναι απειρως μεγαλες.

Μονο στο νερο των περιπου 1,4 δισεκατομμυριων κυβικων χιλιομετρων που περιεχει, βρισκονται αποθηκευνενες αμυθητες ποσοτητες πηγων ενεργειας.

Υποθετικα περιεχουν οι ως ανω ποσοτητες υδατος περιπου 420.000 κυβικα χιλιομετρα Δευτεριο  (ισοτομο του Υδρογονου) που θα αρκουσε, υπο την προ’υ’ποθεση, οτι η σημερινη ετησια μεταβολη ενεργειας των περιπου 20 ΤW θα παρεμεινε σταθερη, για να καλυψει τις αναγκες της ανθρωποτητας σε ενεργεια τα επομενα 10 δισεκατομμυρια χρονια, δηλαδη το διπλασιο περιπου απο την εναπομεινοντα ζωη του Ηλιου και κατ’ επεκταση του ηλιακου συστηματος και του πλανητη μας.

Οτι κανει η φυση και ο ανθρωπος στον τομεα της ενεργειας δεν ειναι τιποτε αλλο απο μια συνεχη μεταμορφωση αυτης.

Η ενεργεια μεταβαλλεται π.χ. σε μηχανικη κινηση και αυτη παλι σε ηλεκτρισμο, θερμοτητα κλπ. χωρις ποτε να εξαλειφεται.

Αυτη συνεπως δεν ειναι παραπανω και παρακατω απ’ οτι μια περιουσια σε Εργο και αποτελει αυτη το Κεφαλαιο της φυσεως.

Χωρις ενεργεια δεν μπορει να κινηθει καμια διαδικασια της φυσικης και κατ’ επεκταση και η Ζωη και η διατηρηση αυτης στα ζωντα οντα.

Στην φυση υπαρχουν δυο βασικες χημικες αντιδρασεις, η ενθαλπια και η εντροπια, με τις οποιες οι υλες αφετηρειας μετασχηματιζονται σε προ’ι’οντα.

Επειδη η ενεργεια δεν καταναλωνεται, δηλαδη δεν χανεται, η ενθαλπια για την ελαχιστιποιηση της προ’υ’ποθετει ενα περιβαλλον που μπορει να δεχθει ενεργεια θερμοτητας, ενω η εντροπια ως βαθμος της αταξιας του συστηματος αυξανεται και τεινει προς το μεγαλυτερο δυνατο χαος, δηλαδη προς μια μεγιστη απο τις δυνατες καταστασεις, οπου η ενεργεια διανεμεται κστα το δυνατον με τον τροπο μεγιστοποιησης της διανομης.

Μια κυψελη καυσιμου ειναι μια ηλεκτροχημικη συσκευη η οποια μετατρεπει την χημικη ενεργεια του καυσιμου απευθειας σε ηλεκτρικη ενεργεια και για τον λογο αυτο αποτελει εναν αποδοτικο και καθαρο μηχανισμο μετατροπης ενεργειας και το κυριοτερο μια μελλοντικη συσκευη συμβατη με ανανεωσιμες πηγες και συγχρονους φορεις ενεργειας και καταλληλη για μια αειφορο αναπτυξη.

Με αλλα λογια.

Οι κυψελες καυσιμου προσφερουν μια καθαροτερη, πιο αποδοτικη και προφανως την πιο ευελεκτη τεχνολογια μετατροπης ενεργειας απο χημικη σε ηλεκτρικη.

Η συσκευη αυτη ειναι τελειως διαφορετικη απο την συσκευη «μπαταριας» (ηλεκροχημικος συσσωρευτης), επειδη καταναλωνει τα αντιδρωντα απο μια εξωτερικη πηγη τροφοδοσιας καυσιμα που πρεπει συνεχως να ανανεωνονται, και αποτελει ενα ανοιχτο θερμοδυναμικο συστημα, ενω μια μπαταρια αποθηκευει ηλεκτρικη ενεργεια σε χημικη μορφη και αποτελει ενα κλειστο θερμοδυναμικο συστημα.

Οταν ενας ηλεκτροχημικος συσσωρευτης (μπαταρια) καταναλωσει ολη την αποθηκευμενη χημικη ενεργεια πρεπει να αντικατασταθει, ενω η κυψελη καυσιμου εχει αδιακοπη λειτουργια υπο την προ’υ’ποθεση σταθερης παροχης καυσιμου και οξειδωτικου υλικου.

Γενικα οι κυψελες καυσιμου αποτελουνται απο δυο ηλεκτροδια (την Ανοδο και την Καθοδο).

Αυτα διαχωριζονται απο εναν ηλεκτρολυτη απο πολυμερες ‘η αλλο στοιχειο, το οποιο επιτρεπει την

διελευση ιοντων, αλλα οχι την διελευση των ηλεκτρονιων.

Το καυσιμο εισαγεται απο την πλευρα της Ανοδου, οπου τα ηλεκτρονια του καυσιμου ελευθερωνονται και κινουνται σε ενα εξωτερικο κυκλωμα διδοντας ηλεκτρικο ρευμα.

Τα θετικα φορτισμενα ιοντα του καυσιμου διαπερνουν τον ηλεκτρολυτη και φθανουν στην Καθοδο, οπου ενωνονται με το ελευθερο ηλεκτρονιο του καυσιμου (υδρογονο) και το οξυγονο, παραγοντας νερο.

Ο ηλεκτρολυτης καθοριζει το ειδος της χημιης αντιδρασης που πραγματοποιειται μεσα στην κυψελη, το ειδος του καταλυτη που απαιτειται, την θερμοκρασια λειτουργιας, τα καυσιμα που χρησιμοποιουνται κλπ.

Για να επιταχυνθει η διδικασια του ιονισμου του καυσιμου χρησιμοποιειται ενας καταλυτης υψηλης αγωγιμοτητας απο λευκοχρυσο (πλατινα) στα ηλεκτροδια.

Με τον ορο στερεο σωμα νοειται ενας μεγαλος αριθμος ατομων ‘η μοριων που συγκρουονται μεταξυ τους.

Τα ατομα αυτα μπορει να ειναι περιοδικα διατεταγμενα (κρυσταλλικο στερεο σωμα) ‘η μη περιοδικα (αμορφο στερεο σωμα).

H κβαντομηχανικη μελετη της κινησης των ηλεκτρονιων σε ενα στερεο σωμα αναφερει, οτι τα ηλεκτρονια σθενους κινουνται μεσα στον ογκο του στερεου σωματος σαν να ηταν ελευθερα, χωρις ομως να συγκρουονται με τα ιοντα λογω της κυματικης συμπεριφορα τους.

Η ενεργεια της τελευταιας κατειλημμενης καταστασης στο στερο σωμα οριζεται ως ενεργεια Φερμι του στερεου σωματος (υπολογιζεται θεωρωντας οτι τα ηλεκτρονια σθενους καθε ατομου του στερεου σωματος κινουνται σε ολοκληρο τον κρυσταλλο σαν να ηταν ελευθερα και υπολογιζεται απο το κατω οριο της τελευταιας ζωνης-τυπικη τιμη της ειναι τα -5 eV).

Αναλογα με το αν  η τελευταια ενεργειακη ζωνη του στερεου σωματος ειναι πληρως κατειλημμενη ‘η οχι, τα στερεα υλικα διακρινονται σε μονωτες, αγωγους και ημιαγωγους.

Στους μονωτες δεν υπαρχουν ηλεκτρονια στην ζωνη αγωγιμοτητας και η ζωνη σθενους ειναι πληρως κατειλημμενη και σε μεγαλη αποσταση της ταξης των 10eV απο την ζωνη αγωγιμοτητας.

Οι ημιαγωγοι χαρακτηριζονται με σημαντικες τεχνολογικες εφαρμογες διοτι το ενεργειακο διακενο σε συγκριση με τους μονωτες ειναι της ταξης  0,5-3 eV, δηλαδη πολυ μικροτερο.

Ετσι σε ορισμενες θερμοκρασιες ορισμενα ηλεκτρονια μεταφερονται στην ζωνη αγωγιμοτητας με αποτελεσμα το στερεο σωμα να γινεται αγωγιμο.

Οταν το καυσιμο που χρησιμοποιειται ειναι καθαρο υδρογονο, το μονο παραγωγο της διεργασιας αυτης ειναι ηλεκτρικο ρευμα, καθαρο νερο και θερμοτητα.

Τα δομικα στοιχεια μιας κυψελης καυσιμου π.χ. μιας  πολυμερισμενης μεμβρανης (PEMFC) εχουν ως εξης:

• Στερεος ηλεκτρολυτης ‘η μεμβρανη ανταλλαγης ιοντων

• Ηλεκτροδια (Ανοδος και Καθοδος)

• Καταλυτης

• Στρωμα διαχυσης αεριων και

• Διπολικες πλακες

Αναλογα με το καυσιμο που χρησιμοποιειται διαχωριζονται τα ειδη κυψελων καυσιμου σε τετοια χαμηλης, μεσαιας και υψηλης  θερμοκρασιας.

Οι χαμηλης θερμοκρασιας κυψελεσ (40-80 βαθμους Κελσιου) περιλαμβανουν τις αλκαλικες κυψελες καυσιμου (AFC), τις κυψελες καυσιμου μεμβρανης ανταλλαγης πρωτονιων (PEMFC) που χρησιμοποιουν καθαρο υδρογονο και τις κυψελες καυσιμου αμεσης μεθανολης (DMFC).

Οι μεσαιας θερμοκρασιας κυψελες ειναι οι κυψελες καυσιμου φωσφορικου εξεος (PAFC) ενω οι κυψελεσ καυσιμου υψηλης θερμοκρασιας περιλαμβανουν τισ κυψελες καυσιμου στερεων οξειδιων (SOFC) και τις κυψελες καυσιμου τηγματος ανθρακικων αλατων (MCFC) αλλα και τις κυψελες καυσιμου τυπου πολυμερικης μεμβρανης υψηλης θερμοκρασιας (HT-PEMFC).

Οι κυψελες PAFC, SOFC και  MCFC δεν θεωρουνται καταλληλες για την αυτοκινητοβιομηχανια.

Στην μελλοντικη αυτοκινητοβιομηχανια προβλεπεται να παιξει πρωτευονταα ρολο οι κυψελες καυσιμου PEMFC χαμηλης και υψηλης θερμοκρασιας , διοτι αυτες αποδιδουν υψηλη πυκνοτητα ισχυος (50-250 kW), διαθετουν στερεο ηλεκτρολυτη μεγαλης διαρκειας ζωης και χρησιμοποιουν ως καυσιμο, τροφοδοσια υδρογονου με μετασχηματισμο απο φυσικο αεριο.

Παρ’ ολα αυτα εχουν ακομα αρκετα προβληματα προς επιλυση οπως η μεγαλη ποσοτητα καταλυτη απο λευκοχρυσο οπου απαιτειται.

Οι κυψελες καυσιμου μεθανολης (DMFC) χρησιμοποιουν ως καυσιμο, μεθανολη σε υγρη μορφη, η οποια οξιδωνεται στην Ανοδο και χρησιμοποιουν ως ηλεκτρολυτη μεμβρανη ανταλλαγης πρωτονιων, οπως οι κυψελες καυσιμου PEMFC, αλλα μεγαλυτερου παχους.

Ο καταλυτης στην Ανοδο, ειναι διμεταλλικος απο λευκοχρυσο και στην Καθοδο λευκοχρυσος.

Εαν οι κυψελες καυσιμου DMFC χρησιμοποιουνταν χωρις σοβαρα προβληματα στην αυτοκινητοβιομηχανια, αντι των κυψελων καυσιμου PEMFC, δεν θα υπηρχε η αναγκη αναζητησης εναλλακτικων τροπων αποθηκευσης

του καυσιμου και δεν θα ηταν αναγκαια η αναπτυξη αναμορφωτων.

Οι κυψελες καυσιμου φωσφορικου οξεος (PAFC) λειτουργιας μεσης θερμοκρασιας (150-200 μαθμους Κελσιου), οι οποιες μεν εχουν μεγαλο μεγεθος και βαρος επιτρεπουν ομως για την τροφοδοτηση τους περισσοτερα ειδη καυσιμων και ειναι καταλληλες για σταθερους σταθμους παραγωγης ενεργειας και για μικρες βιομηχανικες εφαρμογες.

Οι κυψελες καυσιμου τηγματος ανθρακικων αλατων (MCFC) χρησιμοποιουν ως ηλεκτρολυτη ενα υγρο τηγμα ανθρακικου αλατος αλκαλικου μεταλλου το οποιο συγκρατειται σε κεραμικη μητρα, και ειναι ενα αρνητικο ιον και οξειδωτικος παραγοντα.

Οι κυψελες αυτες μπορουν να τροφοδοτηθουν απεθιειας με μεθανιο και μιγμα υδρογονου χωρις αναμορφωση.

Η κυψελη αυτη καυσιμου χρειαζεται διοξειδιο του ανθρακα στον αερα για να λειτουργησε και

Μπορει να χρησιμοποιηθει για την μειωση των εκπομπων απο τους σταθμους ισχυος καυσης ανθρακος.

Οι κυψελες καυσιμου τηγματος στερεων οξειδιων (SOFC) ειναι παρομοιες ως προς την θερμοκρασια λειτουργιας (600-1000 βαθμους Κελσιου) και τις εφαρμογες με τις κυψελες καυσιμου MCFC και εχουν ευρος ισχυος 1 kW-1 MW.

Η παραγωγη ενεργειακης ισχυος με διαφορα ειδη τεχνολογιων που χρησιμοποιουνται για την διανομη αυτης, εχει ως εξης:

1. Με ανεμογενητριες     200 W-3 MW

2. Με Φωτοβολτα’ι’κα  20 W-100 kW

3. Με Βιομαζα 100 kW-20 MW

4. Με μηχανες εσωτερικης καυσης                    5 kW-10 MW

5. Με μικροτουρμπινες                                        35 kW- 1 MW

6. Mε μικρες υδροηλεκτρικεσ μοναδες                   1-100 ΜW

7. Με πολυ μικρες υδροηλεκτρικες μοναδες     25 kW-1 MW

8. Με μπαταριεσ                                                  500 kW- 5 MW 

9. Με κυψελες καυσιμου PAFC                          250 kW- 2 MW

10. Mε κυψελες καυσιμου MCCF                         200 kW- 2 MW

11. Με κυψελεs καυσιμου PEMFC                               1-250 MW

12. Με κυψελεs καυσιμου SOFC                          250 kW- 5 MW 

13. Με γεωθερμια                                                          5-100 MW

Απο την ως ανω κατανομη προκυπτει, οτι οι κυψελες καυσιμου ολων των κατηγοριων ανταγωνιζονται, εκτος της πυρηνικης, ολες τις αλλες μεθοδους παραγωγης ενεργειακης ισχυος των ημερων μας.

Ενα ολοκληρωμενο αυτονομο συστημα παραγωγης ηλεκτρικης ενεργειας με κυψελες καυσιμου που θα περιλαμβανει, μια συστοιχια κυψελων χαμηλης ‘η υψηλης θερμοκρασιας τυπου PEMFC η οποια θα  τροφοδοτειται με υδρογονο μεσω ενος αναμορφωτη μιγματος φυσικου αεριου (βουτανιου/προπανιου), ενα συστημα αποθηκευσης αποτελουμενο απο μια συστοιχια συσσωρευτων ιοντων λιθιου, προβλεπεται οτι μπορει να εφαρμοστει στις εξης λειτουργιες.

1. Στην αποθηκευση ηλεκτρικης ενεργειας μεσω φορτισης των   μπαταριων ιοντων λιθιου.

2. Στην ικανοποιηση του φορτιου απευθειας απο την συστοιχια κυψελων καυσιμου τυπου PEMFC χαμηλης ‘η υψηλης θερμοκρασιας.

3. Στην ικανοποιηση του φορτιου αντλωντας ενεργεια απο την

συστιχια των μπατεριων ιοντων λιθιου

4. Παραλληλη εκτελεση ολων των παραπανω.

Το ενεργειακο προβλημα της ανθρωποτητας για πρωτη φορα διατυπωθηκε στις αρχες της δεκαετιας του 1950, αλλα η επιβεβαιωση του πραγματοποιηθηκε με τις ενεργειακες κρισεις του 1970.

Με την εισοδο της νεας χιλιετιας η ανθρωποτητα αρχισε σοβαρα να αντιμετωπιζει το τεραστιο ενεργειακο αδιεξοδο το οποιο ειναι αμεσα συνυφασμενο με ολες τις πτυχες της αναπτυξης του.

Ο γηινος πληθυσμος σημερα βρισκεται γυρω στα 7,4 δισεκατομμυρια και αναμενεται να ξεπερασει εως το 2050 τα 10 δισεκατομμυρια.

Η κατασταση αυτη σε συνδυασμο με την θεμιτη προσπαθεια των αναπτυσσομενων χωρων για την αναπτυξη του βιοτικου τους επιπεδου, οδηγει αναποφευκτα σε μεγαλες απαιτησεις για μεγαλυτερο μετασχηματισμο (μεταμορφωση) ποσοτητων ενεργειας.

Ο μετασχηματισμος αυτος προβλεπεται για το 2050 να βρισκεται γυρω στους 28 δισεκατομμυρια τοννους μοναδων ανθρακιτου (μια μοναδα ανθρακιτου αντιστοιχει σε 760 χιλιογραμμα ανθρακιτου) ‘η 24,54 TW και θα κατανεμεται περιπου ως εξης:

• απο ανθρακα                         5,00 ΤW

• απο πετρελαιο          5,00 TW

• απο φυσικο αεριο 4,54 TW

• απο πυρηνικα καυσιμα 3,64 TW

• απο ΑΠΕ                                 6,36 TW

                                                  ————–

                    Συνολο                24,54 TW

Η επιτευξη του στοχου της αειφορου οικονομικης αναπτυξης των χωρων της υφηλιου δεν θα καταστει ομως δυνατη χωρις τον αποτελεσματικο συνδυασμο τεχνολογιας και μετρων πολιτικης.

Ορολος της πυρηνικης ενεργειας σε μακροπροθεσμη βαση δεν πρεπει να εγκαταλειφθει, αλλα να εξεταστει στο συνολικο πλαισιο της ισορροπιας μεταξυ ζητησηςκαι προσφορας σε παγκοσμια κλιμακα.

Η πυρηνικη ενεργεια ειτε θελουν ειτε οχι οι αυτοονομαζωμενοι σωτηρες του κλιματος (αυτο αποτελει παρελθον και συνεπως δεν σωζεται) θα παραμεινει μια απο τις διαθεσιμες επιλογες και θα παιξει σημαντικο ρολο για την ασφαλη και ανταγωνιστικη προσφορα ενεργειας σε μεγαλη κλιμακα.

Καθε κυβερνηση που πραγματικα ενδιαφερεται για την καλυψη των μελλοντικων ενεργειακων της χωρας της, πρεπει να εξασφαλισει

οτι τα ισχυοντα πολιτικα πλαισια στην χωρα της επαρκουν για την εγκαιρη αναπτυξη πυρηνικων συστηματων.

Στην Ελλαδα δυστυχως για αυτην δεν επαρκουν.

Γ. Θ. Χατζηθεοδωρου

 http://arxaiaithomi.gr