ΑΡΧΑΙΑ ΙΘΩΜΗ

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

                                                                        19.09.2021                                                                                     Γ. Θ. Χατζηθεοδωρου

Ενας υβριδικος σταθμους μεταβολης ηλεκτρικης ‘η θερμικης ενεργειας αποσκοπει στην μεγιστοποιηση συμμετοχης μοναδων Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας για την καλυψη μιας συγκεκριμενης ενεργειακης ζητησης.

Ο ρολος ομως αυτων σε ενα συμβατικο συστημα ισχυος, δεν υποκαθιστα τον ρολο των μοναδων εγγυημενης μεταβολης ενεργειας, δηλαδη θερμο- ‘η υδροστροβιλκης ηλεκτρικης.

Οι θερμοηλεκτρικες μοναδες και οι υδροστροβιλοι συμβαλουν στην περιπτωση αυτη με μεγαλυτερα ποσοστα στην ετησια καλυψη της ζητησης ενεργειας.

 Οταν σε ενα συστημα ισχυος απουσιαζουν ολοσχερως οι συμβατικες μοναδες ισχυος, ειναι ανυπαρκτη και η αντιστοιχη μεταβολη ενεργειας απο συμβατικες μοναδες.

Στην περιπτωση αυτη ο σκοπος του υβριδικου σταθμου ειναι η συνθεση και η λειτουργια ενος συστηματος ισχυος, το οποιο, αξιοποιωντας μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας, ανταποκρινεται στις βασικες απαιτησεις της ζητησης, δηλαδη στην αδιαλειπτη καλυψης της και στην ελαχιστοποιηση του κοστους μεταβολης της ενεργειας.

Η απο την τυχαια διαθεσιμοτητα του δυναμικου των Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας προκυπτουσα μεταβολη ισχυος μπορει να παρακολουθησει τις αναγκες ζητησης ενεργειας, οπως αυτες αποτυπωνονται στην χρονικη διακυμανση της ζητησης σε δυο εντελως ανεξαρτητες μεταξυ τους χρονοσειρες.

Η διαθεσιμη ισχυς  απο τις μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας και η ζητηση ισχυος πρεπει χρονικα να συμπεσουν.

Εαν θεωρηθει η αλλαγη των αναγκων της ζητησης ως αδυνατη, η μονη περιπτωση για την χρονικη ταυτιση ειναι να προσαρμοστει η τυχαια μεταβολη ισχυος απο τις μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας,  στην ζητης ισχυος, με την συνδυασμενη λειτουργια των μοναδων αυτων με μοναδες αποθηκευσης.

Μεσω των μοναδων αποθηκευσης ειναι δυνατη η αποθηκευση ενεργειας, οταν η μεταβολη ισχυος απο τις μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας ειναι μεγαλυτερη απο την ζητηση ισχυος και οταν η αποθηκευμενη ενεργεια μπορει να αποδοθει στην

ζητηση τις χρονικες στιγμες που η ζητηση ισχυος ειναι μεγαλυτερη απο την διαθεσιμοτητα μεταβολης ισχυος απο τις μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας.

Τι γινεται ομως αν προκυψει καποια  χρονικη στιγμη που η διαθεσιμοτητα μεταβολης ισχυος απο τις μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας μαζι με την αποθηκευμενη ενεργεια στην μοναδα αποθηκευσης δεν επαρκουν να καλυψουν την ζητηση ισχυος;

Χωρις την διαθεσιμοτητα μιας ‘η περισσοτερων μοναδων θερμοηλεκτρικης ‘η υδροστροβολικης  ενεργειας και παλι αναλογως με το μεγεθος του συστηματος και του υβριδικου σταθμου, η κατασταση γινεται πολυ κρισιμη.

Εκ των ως  ανω  προκυπτει οτι ενας υβριδικος σταθμος αποτελειται απο τρεις βασικες συνιστωσες:

1. απο τις μοναδες Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας (αιολικα παρκα,

       φωτοβολτα’ι’κοι σταθμοι, ηλιακοι συλλεκτες)

2. απο τις μοναδες αποθηκευσης (αντλησιοταμιευτηρες,

      ηλεκτροχημικοι συσσωρευτες, μοναδες παραγωγης υδρογονου,

      μοναδες συμπιεσης αερα,  θερμοδοχεια ‘η μια μεγαλη δεξαμενη

      νερου).

3. απο τις μοναδες εφεδρειας (κοινες θερμοηλεκτρικες, κυριως

      Ντιζελογεννητριες).

Ενας υβριδικος σταθμος μεταβολης ηλεκτρικης ενεργειας θεωρειται μεγαλου μεγεθους οταν καλυπτει ζητηση ισχυος μεγαλυτερη των

3 MW. Οταν αυτη δεν υπερβαινει το 1 MW, ο υβριδικος σταθμος

Ηλεκτρικης ενεργειας θεωρειται μικρου μεγεθους.

Απο τα ως ανω προκυπτει οτι δεν δικαιολογειται σε καμμια περιπτωση η απολιγνιτοποιηση της χωρας μας, η οποια απο ορισμενους υπευθυνους μεν, αλλα ασχετους Ρωμιους της εξουσιας  ετεθει και ως εθνικος στοχος.

Οι ανθρωποι αυτοι παραβλεπουν οτι ο λιγνιτης ειναι η κυρια και φθηνοτερη πηγη ενεργειας για την χωρα μας και οτι η σημερινη τεχνολογια της καυσης ειναι σε θεση να εξασφαλισει τους περιβαλλοντικους ορους που επιβαλλουν αδικαιολογητα οι δηθεν σωτηρες του κλιματος.

Οι θερμοηλεκτρικες μοναδες και οι υδροστροβιλοι θα παραμενουν για την χωρα μας οι βασικες μοναδες, στις οποιες θα στηριζεται η μεταβολη εγγυημενης ηλεκτρικης ισχυος.

Αυτη θα μπορουσε να ενισχυθει και με την πυρηνικη ισχυ.

Ο ρολος των Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας ποτε δεν θα αποκαταστησει τον ρολο των θερμοηλεκτρικων μοναδων μεταβολης ενεργειας στην χωραν μας.

Η κυψελη καυσιμου ειναι μια ηλεκτροχημικη συσκευη η οποια μετατρεπει την χημικη ενεργεια ενος καυσιμου απευθειας σε ηλεκτρικη, αποτελειται δε απο μια ανοδο, μια καθοδο και μια μεμβρανη ηλεκτρολυτη και λειτουργει περνωντας υδρογονο μεσω της ανοδου και του οξυγονου μεσω της καθοδου.

Στην ανοδο, τα μορια υδρογονου χωριζονται σε ηλεκτρονια και πρωτονια, τα ηλεκτρονια ωθουνται μεσω κυκλωματος και δημιουργουν ηλεκτρικο ρευμα και θερμοτητα ενω τα πρωτονια διερχονται μεσω της  μεμβρανης ηλεκτρολυτη προς την καθοδο οπου μαζι με ηλεκτρονια και το οξυγονο συνδιαζονται και παραγουν μορια νερου.

Γενικα οι κυψελες καυσιμου δεν χρειαζεται να επαναφορτιζονται περιοδικα οπως οι μπαταριες, αλλα συνεχιζουν να μεταβαλλουν ηλεκτρικη ενεργεια εφοσον παρεχεται πηγη καυσιμου.

Με αλλα λογια.

Προσφερουν μια καθαροτερη, ποιο αποδοτικη και την ποιο ευελικτη τεχνολογια μετατροπης ενεργειας απο χημικη σε ηλεκτρικη.

Στις κυψελες καυσιμου μεμβρανης ανταλλαγης πρωτονιων, οι οποιες λειτουργουν με αποδοση μεταξυ 40 % και 60 % και ειναι καταλληλες για την ηλεκτροκινητικοτητα η οποια αναπτυσσεται ταχυτητατα, δηλαδη για αυτοκινητα και αλλα ειδικα οχηματα που πρεπει να επιταχυνθουν, χρησιμοποιειται πολυμερη μεμβρανη για τον ηλεκτρολυτη και πλατινα για τον καταλυτη.

Αυτο που διακρινει τις κυψελες καυσιμου μεμβρανης ανταλλαγης πρωτονιων απο τις αλλες (κυψελες καυσιμου τετηγμενου ανθρακα, κυψελες καυσιμου φωσφορικου Οξεος, Στερεου Οξειδιου, Αμεσης Μεθανολης και Αλκαλικες) ειναι η ικανοτητα τους να λειτουργουν σε ψυχροτερες θερμοκρασιες μεταξυ 27 και 93 βαθμους Κελσιου και γιαυτο απαιτουν καθαρο υδρογονο.

Αυτο ειναι το  ποιο αφθονο στοιχειο στο συμπαν, αλλα σπανια βρισκεται στην καθαρη του μορφη και μπορει να εξαχθει απο διαφορες πηγες, οπως απο την βιομαζα, δια της ηλεκτρολυσης, ωστοσο παραγεται κυριως απο το φυσικο αεριο.

Το υδρογονο μπορει να παραχθει επισης απο ανθρακα, απο ηλεκτρολυση του νερου, απο αλκαλικη ηλεκτρολυση, απο ηλεκτρολυση σε πολυμερικης μεμβρανης ηλεκτρολυτες, απο ηλεκτρολυση σε υψηλες θερμοκρασιες, απο Φωτολυση, φωτο-βιολογικα και δια της θερμοχημικης διασπασης του νερου.

Η πυκνοτητα του υδρογονου ειναι περιπου 0,08988 γραμμαρια ανα λιτρο σε μια ατμοσφαιρικη πιεση 1 atm. Συμπιεσμενο το υδρογονο σε πιεση 350 bar επιτυγχανει πυκνοτητα 31,04 γραμμαρια ανα λιτρο.

Συμφωνα με τις εκτιμησεις των ειδικων περι ενεργειας, οι μακροπροθεσμες ενεργειακες αναγκες της ανθρωποτητας θα καλυπτονται απο συνδυασμο πυρηνικης ενεργειας (διασπαση και συντηξη πυρηνων) και Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας, σε συνδιασμο με Εξοικονομηση Ενεργειας.

Ο κυριος ρολος του υδρογονου σε ενα τετοιο ενεργειακο σκηνικο θα ειναι η χρηση του στον τομεα των μεταφορων σε συνδυασμο με βιοκαυσιμα, ενω οι κυψελες καυσιμου θα συνεισφερουν στην ενεργειακη αποδοτικοτητα.

Σε μια τετοια προοπτικη το μελλοντικο ηλεκτρικο συστημα και η οικονομια υδρογονου ειναι αμεσα συζευγμενες.

Παραλληλα στο μη διασυνδεδεμενο ηλεκτρικο δικτυο, το υδρογονο θα συμμετασχει ως σημαντικη συνιστωσα, καθως θα υπαρχει παραγωγη υδρογονου μεσω Ανανεωσιμων Πηγων Ενεργειας, αποθηκευση του και επαναχρησιμοποιηση του προς μεταβολη ηλεκτρικης ενεργειας, που θα τροφοδοτει το δικτυο.

Επισης στον κτιριακο τομεα θα χρησιμοποιηθουν οι κυψελες καυσιμου με χρηση φυσικου αεριου ‘η υδρογονου για συμπαραγωγη ηλεκτρισμου και θερμοτητας.

Λαμβανοντας υποψη τις παραπανω θεωρησεις για τον ρολο του υδρογονου στο διαμορφουμενο παγκοσμιο ενεργειακο σκηνικο,

αποκτα για την Ελλαδα ιδιαιτερη σημασια η αναπτυξη τεχνολογιων υδρογονου στα εξης θεματικα πεδια:

1,   Παραγωγη Υδρογονου

       Εμφαση πρεπει να δοθει σε συστηματα που συνδυαζουν την

       παραγωγη υδρογονου μεσω ηλεκτρολυσης που τροφοδοτειται

       απο Ανανεωσιμες Πηγες Ενεργειας και ειδικα με αξιοποιηση της

       πλεοναζουσας ‘η της απορριπτομενης ισχυος. Σημαντικα μπορει

       να ειναι επισης και η αναπτυξη συστηματων ‘η εξαρτηματων

       μοναδων ηλεκτρολυσης που θα συνδυαζονται με τις

       δυνατοτητες που παρεχουν οι κυψελες καυσιμου ολων των

       τυπων.

2. Αποθηκευση και Διανομη Υδρογονου

       Για να επιτευχθει η ευρεια χρηση των κινητων, ακινητων και

       φορητων εφαρμογων του υδρογονου και στην ελληνικη Αγορα

       πρεπει σε πρωτο σταδιο να λυθουν τα προβληματα που

       υπαρχουν με την αποθηκευση του και την προσροφηση αυτου

       σε υλικα. Ο τομεας υγρου και πεπιεσμενου υδρογονου ειναι

       νεος και δεν εχει διερευνηθει εκτενως. Εδω πρεπει να δοθει

       εμφαση στην βασικη ερευνα, ωστε να βρεθουν νεα υλικα ικανα

       να αποθηκευουν υδρογονο, τοσο ωστε να ικανοποιουνται οι

       στοχοι που εχουν τεθει. Οι νανοτεχνολογιες οπως και τα νεα

       διερευνωμενα υλικα, εκτιμαται οτι θα παιξουν σημαντικο ρολο

       στην επιλυση του προβληματος.

3. Εφαρμογες Υδρογονου

       Η Ελλαδα θα μπορουσε να παιξει σημαντικο ρολο στην αναπτυξη

       και εφαρμογη των εξης τεχνολογιων ‘η συστηματων υδρογονου:

  α. μικρα συστηματα βοηθητικης παροχης ισχυος με ονομαστικη

       ισχυ 0,5-5 kW και μικρα συστηματα για οικιακη χρηση με

       ονομαστικη ισχυ 1-5 kW, βασισμενα σε τεχνολογια κυψελων

       καυσιμου ειδικα του τυπου πολυμερους μεμβρανης ανταλλαγης

        πρωτονιων. Το προβλημα που πρεπει εδω να ξεπεραστει

        ειναι η ελλειψη τεχνογνωσιας στον βιομηχανικο σχεδιασμο και

        τη μαζικοποιηση της παραγωγης τετοιων μοναδων.

β.    συστηματα μεσαιας δυναμικοτητας (10-200 kW) βασισμενα σε

       τεχνολογια κυψελων καυσιμου διαφορων τυπων ‘η κινητηρων

       εσωτερικης καυσης, οπου η εκτιμωμενη αγορα ειναι μεγαλη.

γ.   ειδικα επιχειρησιακα οχηματα και βαρκες εχουν στην Ελλαδα

      μεγαλη αγορα, υπαρχει σημαντικη ελληνικη τεχνογνωσια στον

      τομεα αυτο και ελλειψη ισχυρου ανταγωνισμου απο το

       εξωτερικο.

Στις κυψελες καυσιμου απευθειας εσωτερικης αναμορφωσης, οι υδρογονανθρακες μετατρεπονται απευθειας σε υδρογονο στην  ανοδο της κυψελης, χρησιμοποιωντας και αμφοτερα θερμοτητα και ατμο απο την ηλεκτροχημικη οξειδωση του υδρογονου.

Οι μεθοδοι  αναμορφωσης κατατασσονται, σε ατμου, σε μερικη οξειδωση, σε αυτοθερμικη  και σε πυρολυση υδρογονανθρακων.

Η αναμορφωση του φυσικου αεριου αποτελει ενδοθερμη καταλυτικη διαδικασια, η οποια πραγματοποιειται στο θερμοκρασιακο ευρος των 970-1100 Κ και σε πιεση 3,5 Μρα, ενω ως καταλυτης χρησιμοποιειται το νικελιο.

Η μερικη οξειδωση των υδρογονανθρακων ειναι μια εξωθερμη αντιδραση με οξυγονο και τον ατμο σε μεγαλη πιεση, με ‘η χωρις καταλυτη, αναλογα με την τροφοδοσια και την επιλεγομενη διαδικασια.

Οταν τα μορια του νερου απορροφουν ενεργεια με ρυθμο 285,57 kJ/mole απο την υπεριωδη ακτινοβολια, απελευθερωνεται υδρογονο.

Ορισμενοι φωτοκαταλυτες απορροφουν ορατο φως και μετατρεπουν την ενεργεια του νερου ορισμενου μηκους κυματος και συχνοτητας για την απελευθερωση των σχηματισμενων αεριων.

Οι μεθοδοι αποθηκευσης υδρογονου κατατασσονται, σε αποθηκευση με συμπιεση, με υγροποιηση, σε προηγμενα υλικα, σε προσροφητικα υλικα, σε μεταλλικα υδριδια και στην  LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers).

Με δεδομενο, οτι το υδρογονο εχει χαμηλο ενεργειακο περιεχομενο ανα μοναδα ογκου, πρεπει να συμπιεστει σε πολυ χαμηλες πιεσεις ωστε να αποθηκευτει επαρκης ποσοτητα υδρογονου σε περιορισμενο ογκο.

Βιομηχανικα πρωτυπα για αποθηκευση συμπιεσμενου υδρογονου ειναι στα 350 bar, με εναν απωτερο στοχο τα   700 bar. Εναλλακτικα, το υδρογονο μπορει να αποθηκευτει κρυογονικα σε ειδικες δεξαμενες σε θεμοκρασια -253 βαθμους Κελσιου με πυκνοτητα 70,8 γραμμαρια ανα λιτρο.

Μια κρυογενικη δεξαμενη 68 λιτρων μπορει να περιεχει περιπου 5 χιλιογραμμα υγροποιημενο υδρογονο, το οποιο ειναι επαρκες για να κινησει ενα επιβατικο αυτοκινητο για αποσταση 500 χιλιομετρων.

Τετοιες δεξαμενες μπορουν να πληρωθουν σε σχετικα μικρο χρονικο διαστημα και ειναι πολυ ποιο ασφαλεις σε κρυογενικες θερμοκρασιες απο οτι οι υψηλης πιεσης δεξαμενες αεριου υδρογονου.

Τα προηγμενα υλικα για αποθηκευση υδρογονου λειτουργουν με απορροφηση και προσροφηση ως μικροδεξαμενες αποθηκευσης του υδρογονου σε ατομικη ‘η μοριακη μορφη.

Σε απλα μεταλλικα υδριδια η απορροφηση λαμβανει χωρα με την ενσωματωση του υδρογονου σε ατομικη μορφη στις ενδοθετες θεσεις του κρυσταλλικου πλεγματος μεσα απο μια σειρα σταδιων.

Η προσροφηση απο την αλλη μερια λαμβανει χωρα μεσα απο την αλληλοεπιδραση μοριων του υδρογονου με τα τοιχωματα των πορων του προσροφητικου υλικου και διακρινεται σε φυσικη και χημικη ροφηση με τις δυναμεις προσροφησης που λαμβανουν χωρα σε καθε περιπτωση.

Η αρχη της αποθηκευσης υδρογονου σε μεταλλικα υδριδια βασιζεται στο γεγονος οτι ατομα του υδρογονου σχηματιζουν δεσμους με τα ατομα του μεταλλικου πλεγματος σε χαμηλες πιεσεις.

Τα μεταλλικα υδριδια με βαση τους τυπους των πλεγματων των μεταλλικων ενωσεων που χρησιμοποιουνται ως αποθηκευτικα μεσα διακρινονται σε διαφορες κατηγοριες.

Τα συνθετα υλικα απο μεταλλα μεταπτωσης εξακολοθουν να ειναι σημαντικα για την χρηση τους ως μεσα αποθηκευσης υδρογονου.

Τα βασικοτερα προβληματα που εμφανιζονται στην χρηση των μεταλλικων  υδριδιων για αποθηκευση του υδρογονου ειναι η αντιστρεπτοτητα κατα την περιοδικη φορτιση-αποφορτιση του υλικου, οι χαμηλοι ρυθμοι φορτισης-αποφορτισης καθως και το μεγαλο βαρος των υλικων αυτων ειδικα σε κινητες εφαρμογες.

Επειδη οτι, τοσο η προσροφηση οσο και η απορροφηση ειναι εξωθερμικες διεργασιες, απαιτειται και η παραλληλη αναπτυξη συστηματος διαχειρισης της παραγομενης θερμοτητας.

Η αρνητικη πλευρα των μεταλλικων υδριδιων αποτελειται απο το μεγαλο βαρος τους σε συνδυασμο με το μικρο ποσοστο του υδρογονου επι του συνολικου βαρους. Τα μεταλλικα υδριδια ειναι στερεα σωματα.

Με τον ορο αυτο νοειται ενας μεγαλος αριθμος ατομων ‘η μοριων που συγκρατουνται μεταξυ τους.

Τα ατομα αυτα μπορει να ειναι περιοδικα διατεταγμενα ‘η τυχαια.

Η αλληλεπιδραση μεταξυ θετικων (απο τους πυρηνες) και αρνητικων (απο τα ηλεκτρονια) φορτιων εχει ως αποτελεσμα την δημιουργια διαφορας δυναμικου.

Μεσω της  μελετης των ηλεκτρονιων των στερεων σωματων επιτυγχανεται η κατανοηση της αγωγιμοτητας τους, η οποια απο υλικο σε υλικο παρουσιαζει μεγαλες διακυμανσεις και εχει ακατανοητη εξαρτηση απο την θερμοκρασια.

Η κβαντομηχανικη μελετη της κινησης των ηλεκτρονιων στο 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 κυμματικης συμπεριφορας τους).

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

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

Γ. Θ. Χατζηθεοδωρου

Ο ΝΟΜΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ

Απαγορεύεται οποιαδήποτε αντιγραφή η απόσπασμα. 

Η μη τήρηση των ανωτέρω επισύρει τις κυρώσεις του Νόμου 2121/1993, άρθρο 66.

http://arxaiaithomi.gr