PD Dr.-Ing. Georg Chaziteodorou Bleibergweg 114 D-40885 Ratingen
Tel.+Fax: +49 2102 32513 E-Mail: chaziteo@t-online.de
09.08.2022
Γ. Θ. Χατζηθεοδωρου
Υδρογονο στον συμπαντα Κοσμο.
Οτιδηποτε υπαρχει μεσα στον συμπαντα κοσμο αποτελειται απο συμπυκνωμενη ενεργεια, οποια μορφη και εαν αυτο το οτιδηποτε εχει.
Αναλογα με τον τροπο που εχει η ενεργεια αποκτηθει, ανταλλαχθει ‘η αποθηκευθει μπορει να χαρακτηριστει ωs δυναμικη, κινητικη, ακτινοβολιαs, πυρηνικη, θερμικη, ηλεκτρικη, φωτεινη, χημικη αλλα και διαφορετικα, για αλλεs πολλεs μορφεs ενεργειαs που παραμενουν ακομη αγνωστεs.
Στον συμπαντα κοσμο δεν υπαρχει υλη που να παραμενει ακινητη ‘η οτι οπουδηποτε παρατηρειται, η κινηση και η υλη παντα συμμετεχουν σ’ αυτο.
Το πρωτιο υδρογονο αποτελει το στοιχειο τηs υληs που επαιξε και παιζει ακομη καθωριστικο ρολο στον συμπαντα κοσμο για την δημιουργια πλανητων, αστρων και γαλαξιων.
Το υδργονο συναντιεται παντου στην φυση με τρια διαφορετικα ισοτοπα ατομου του μοριου του.
Το πρωτιο υδρογονο (1Η) αποτελειται απο ενα πρωτονιο και απο ενα ηλεκτρονιο και αποτελει το 99,98 % τηs συνολικηs ποσοτηταs.
Το ισοτοπο δευτεριο υδρογονου (2H ‘η Δ) συναντιεται στην φυση σε ποσοστο 0,02 % και αποτελειται απο ενα πρωτονιο, ενα νεοτρονιο και ενα ηλεκτρονιο.
Το τριτο κατα φθινουσα σειρα ποσοτηταs ισοτοπο του πρωτιου υδρογονου στην φυση, ειναι το τριτιο (3Η ‘η T), το οποιο αποτελειται απο ενα πρωτονιο, δυο νεοτρονια και ενα ηλεκτρονιο.
Η κοσμικη υλη (πρωτιο υδρογονο και σκονη), η οποια ειναι διασπαρμενη μεταξυ των αστερων, εχει μαζα ιση περιπου με την μαζα ολων των αστερων και αποτελειται απο ατομα που βρισκονται στην πλεον σταθερη κατασταση.
Η θερμοκρασια του ειs το διαστημα διεσπαρμενου πρωτιου υδρογονου βρισκεται περιπου στουs 125 βαθμουs Κελβιν (-148,15 βαθμουs Κελσιου).
Αυτο εχει εναν συντελεστην διαστοληs (ο οποιοs υπο σταθερη πιεση ειναι ανεξαρτητοs τηs θερμοκρασιαs) ισον με 1/273 = 0,003660 βαθμουs Κελσιου στην πλην 1.
Πανω απο την κρισιμη θερμοκρασια του (-240 βαθμουσ Κελσιου), το υδρογονο βρισκεται παντοτε σε αερια κατασταση υπο οσοδηποτε μεγαλη πιεση.
Στην κρισιμη θερμοκρασια του μπορει το πρωτιο υδρογονο να υγροποιηθει στην κρισμη πιεση του των 13 ατ (1 at = 0,980392 bar = 14,00 psi) και κρισημη πυκνοτητα του (0,03 γραμμαρια ανα κυβικο εκατοστο).
Η μαζα του ατομου του πρωτιου υδρογονου ειναι σχεδον ολοκληρη συγκεντρωμενη στον ατομικο πυρηνα, διοτι η μαζα του ηλεκτρονιου (me = 9,109956 x 10 στην πλην 31 χιλιογραμμα) σε σχεση με την μαζα του ατομικου πυρηνα (mp = 1,67261 x 10 στην πλην 27 χιλιογραμμα) ειναι πολυ μικρη.
Η μαζα του πυρηνα του πρωτιου υδρογονου, μετρηθεισα στην φυσικη κλιμακα των ατομικων μαζων και ο μαζικοs αριθμοs, δηλαδη ο ακεραιοs αριθμοs προs τον οποιον προσεγγιζει η ατομικη μαζα για το πρωτιο υδρογονο και τα ισοτοπα του, δευτεριο και τριτιο, εχει ωs εξηs: Πρωτιο υδρογονο 1,008145 amu, Δευτεριο υδρογονο 1-2,014741 amu και Τριτιο υδρογονο 2-3,016997 amu (1 amu = 1,66 x 10 στην πλην 24 γραμμαρια = 1492 x 10 στην πλην 6 erg = 931 MeV).
Κατα τον Δακογλου (1), ωs συνεπεια τηs υπαρξηs τηs αιωνιαs τυρβωδηs κινησηs των στοιχειων του συμπαντοs, στα οποια επικρατει το πρωτιο υδρογονο, δημιουργειται μια πρωταρχικη συσσωρευση και συμπυκνωση τηs υληs σε μορφη ενοs στοιχειωδουs νεφουs, το οποιο συνεχωs στροβιλιζεται, περιφερεται και μετακινειται οπωs μια σβουρα.
Οσο καιρο δεν ενεργει εξωτερικη ροπη προs την σβουρα, αυτη διατηρει σταθερα την διευθυνση του αξονα περιστροφηs.
Οταν ομωs ενεργησει μια ροπη στον αξονα τηs περιστρεφομενηs σβουραs, που τεινει να περιστρεψει τον αξονα περιστροφηs τηs, τοτε ο αξοναs τηs σβουραs εκτρεπεται καθετα προs την διευθυνση του αξονα περιστροφηs, κατα την οποιαν αναμενονταν να στρεψει τον αξονα του η ενεργουσα ροπη, δηλαδη η μεταπτωση τηs σβουραs.
Εαν παρατηρηθει απο επανω μια ταχεωs περιστρεφομενη σβουρα, φαινεται η ακρη του αξονα τηs σβουραs να εκτελει συγχρονωs μια κυκλικη κινηση, δηλαδη μεταπτωση, και μια ταλαντωση, δηλαδη κλονηση.
Ετσι η ακρη του αξονα τηs σβουραs κινειται μεταξυ δυο κυκλων και διαγραφει μια πολυπλοκη καμπυλη.
Τα ειs το συμπαν βρισκομενα γειτονικα στοιχειωδη τεμαχιδια παρασυρονται στο στοιχειωδηs νεφοs που στροβιλιζεται σπειροειδωs και αυξανουν με την διαδικασια αυτη τον ογκο, την πυκνοτητα και την μαζα αυτου.
Η περιδηνηση του νεφουs που κινειται μεταξυ των δυο κυκλων και διαγραφει μια πολυπλοκη καμπυλη υποχρεωνει τα βαρυτερα στοιχεια του νεφουs να συμπιεζονται στο αρχικο προs τα κατω στοιχειωδεs νεφοs και να επαυξανουν την πυκνοτητα αυτου, τα δε ελαφροτερα στοιχεια κατανεμονται προs τα ανωτερα στρωματα του νεφουs με διαφορη πυκνοτητα.
Η επικρατηση του πρωτιου υδρογονου στο ωs ανω νεφοs φαινεται ξεκαθαρα στα δημιουργηθεντα στο συμπαν αστρα στα οποια λαμβανουν χωρα μια σειρα πυτηνικων αντιδρασεων οπου με την τηξη ενοs νουκλεονιου σχηματιζετα εναs πυρηναs δευτεριου υδρογονου και ελευθερωνεται ενα ποσιτρονιο και ενα νετρινο.
Το νετρινο ξεφευγει στον χωρο, συγκρουεται και καταστρεφει ενα ηλεκτρονιο με απελευθερωση τηs ακτινοβολιαs-γ.
Το ισοτοπο του πρωτιου υδρογονου, δευτεριο, λυωνει με το πρωτιο και σχηματιζει το ισοτοπο του στοιχειου Ηλιο-3 με αποτελεσμα απελευθερωσηs περισσοτερηs ακτινοβολιαs-γ.
Απο την τηξη δυο πυρηνων Ηλιου-3 προκυπτει εναs πυρηναs Ηλιου και δυο πρωτονια με αποτελεσμα οι δυο πυρηνεs πρωτιου υδρογονου και ο ενοs πυρηνα Ηλιου-4 να ζυγιζουν 7/10 του 1 % λιγωτερο απο τον πρωταρχικο πυρηνα.
Η διαφορα τηs μαζαs μεταβληθηκε σε ενεργεια.
Η μεταπτωση του ατομου του πρωτιου υδρογονου απο μια κανονικη κατασταση σε μια αλλη συνοδευεται με αποβολη ενεργειαs υπο μορφη ηλεκτρομαγνητικηs ακτινοβολιαs, η οποια, οπωs υπολογιζεται πρεπει να εχει μηκοs κυματοs λ = 21,204 εκατοστα.
Το ατομο του πρωτιου υδρογονου απορροφα εκεινεs μονο τιs ακτινοβολιεs που μπορει το ιδιο να εκπεμψει.
Αυτο εκπεμπει 5 σειρεs ακτινοβολιων εκ των οποιων οι 3 ειναι υπερυθρεs, μια υπεριωδη και μια ορατη.
Το ηλεκτρονιο του ατομου του πρωτιου υδρογονου εκπεμπει ηλεκτρομαγνητικη ακτινοβολια, μονο οταν αυτο κινειται απο μια τροχια μεγαλυτερηs ενεργειαs σε αλλη κβαντικη τροχια μικροτερηs ενεργειαs.
Ολο το δραμα τηs Φυσικηs μεσα στον συμπαντα κοσμο παιζεται στην αλληλοεπιδραση τηs τασηs τηs βαρυτικηs δυναμηs να ελκει αντικειμενα και να δημιουργει δομεs τηs Φυσικηs και στην ταση τηs εντροπιαs να επιδρα αντιθετα και να προσπαθει να φερει τα συστηματα τηs φυσεωs σε κατασταση αταξιαs και να τα διαμοιρασει χωρικα σε μεγαλεs αποστασειs (2, 3).
Ο ανταγωνισμοs των δυο αυτων δυναμεων αποτελει την μηχανη δημιουργιαs πλανητων, αστερων, γαλαξιων και αλλων μεγαλυτερων δομων του συμπαντοs κοσμου.
Επιτυχειs σχηματισμοι αστροφυσικων υποδομων σημαινει νικη τηs βαρυτικηs δυναμηs, ενω ατυχειs οφειλονται στην εντροπια.
Υδρογονο στον γηινο χωρο
Ωs υλη καθοριζεται καθε τι που κατεχει ογκο και εχει μαζα, την οποιαν οι ανθρωποι μετρουν συνηθωs με το βαροs.
Αυτη αποτελειται απο μορια, ατομα και κβαντοτεμαχιδια.
Απο τα 101 γνωστα στοιχεια τηs υληs του περιοδικου συστηματοs μονο 13 δεν εντοπισθηκαν στο γηινο περιβαλλον.
Ολα τα κβαντοτεμαχιδια υληs του συμπαντοs μαs υπολογιζονται με 10 στην 88, του πλανητη μαs με 3 x 10 στην 42 και του ανθρωπινου σωματοs με 10 στην 28.
Κυριον θεμα τηs Χημειαs αποτελουν η συσταση, οι ιδιοτητεs και οι μονιμεs μεταβολεs τιs οποιεs υφισταται η υλη και τα αιτια που τιs προκαλουν.
Η ικανοτητα για δημιουργια εργου χαρακτηριζεται ωs ενεργεια. Αυτη ειναι αθανατοs και διακρινεται υπο διαφορεs μορφεs.
Δεν παραγεται και δεν καταναλωνεται αλλα απλωs μεταβαλλεται απο την μια στην αλλη μορφη τηs.
Οι μεταμορφωσειs (φυσικα φαινομενα) που υφισταται αυτη και οι εφαρμογεs αυτων, απασχολουν την Φυσικη.
Με αλλα λογια.
Η πλειονοτητα των νεων τεχνολογιων συνιστουν απορροιεs και εφαρμογεs τηs Φυσικηs, κυριωs απο τοτε που ο Μαξ Πλανγκ πριν 120 χρονια εισηγαγε την εννοια του κβαντου, του κβαντοτεμαχιδιου τηs ορατηs υληs.
Ενα π.χ. Ηλεκτρονιο με ολοκληρο το συγκροτημα του που το συνδεει, δεν ειναι τιποτε αλλο απο την “Δυαδα” των Πειθαγορειων, απο τον “Φανητα” των Ορφικων, απο την “Ψυχη” του Πλατωνα και την “Εντελεχεια” του
Αριστοτελη.
Οτι υπαρχει στον συμπαντα κοσμο φαινεται οτι χωριζεται σε δυο κατηγοριεs στοιχειωδων σωματιδιων και δη στα φερμιονια που ειναι συστατικα τηs ορατηs υληs και στα μποζονια που λειτουργουν σαν φορειs των τεσσαρων φυσικων δυναμεων (ηλεκτρομαγνητικη, ασθενηs- και ισχυρα πυρηνικη και βαρυτητα) και των αντιστοιχων πεδιων τουs.
Παρ’ ολα αυτα δεν υπαρχει σαφηs διαχωριστικη γραμμη μεταξυ Χημειαs και Φυσικηs και κατα συνεπεια και μεταξυ φυσικων και χημικων φαινομενων.
Το μεγαλυτερο ποσοστο τηs ενεργειαs, η οποια ειναι αρρηκτα συνδεδεμενη με την ποιοτητα τηs καθημερινηs ζωηs των ανθρωπων, προερχεται ακομη απο την πυρηνικη σχαση του ουρανιου και απο τα ορυκτα καυσιμα.
Τα ορυκτα καυσιμα, ωs γνωστο, αποτελουν μη ΑΠΕ και επιπλεον προκαλουν κατα πολλουs επιστημονεs, με το φαινομενο του θερμοκηπειου, ανεπανορθωτη μολυνση στο περιβαλλον.
Η αναγκη ευρεσηs εναλλακτικων πηγων ενεργειαs, ανανεωσιμων και φιλικων προs το περιβαλλον, οδηγησεν πολλεs χωρεs προs την αιολικη και ηλιακη ενεργεια καθωs επισηs και στην βιομαζα, δηλαδη σε λυσειs οι οποιεs λογω τηs περιοδικοτηταs τουs θεωρουνται απο αλλεs χωρεs ωs π.χ. απο την Ιαπωνια, Ισλανδια, Ινδια και ΗΠΑ, οχι και τοσο σταθερεs. Ενδεικτικα, η Ισλανδια, αποβλεπει σε μια υποδομη πληρωs βασισμενη στο πρωτιο υδρογονο μεχρι το 2030-2040, ενω μεχρι το 2030 στοχοs του υπουργειου ενεργειαs των ΗΠΑ ειναι η αντικατασταση του 10 % τηs ενεργειακηs μεταβολληs με ενεργεια υδρογονου.
Σημαντικη προσπαθεια εχει πραγματοποιηθει και απο αλλεs χωρεs, οπωs η Ινδια, ωs προs την αναπτυξη τηs ενεργειαs του πρωτιου υδρογονου σαν ενεργειακοs φορεαs εναντι των ορυκτων καυσιμων και των ΑΠΕ, δηλαδη και εναντι των αιολικων και φωτοβολτα’ι’κων παρκων.
Οι ωs ανω χωρεs με πρωτη την Ιαπωνια, θεωρουν, οτι το πρωτιο υδρογονο με τα ισοτοπα του δευτεριο και τριτιο, στο εγγυs μελλον θα τροφοδοτουν με ενεργεια και δη με τιs κυψελεs καυσιμου οχι μονο αυτοκινητα και εμπορικα οχηματα πασηs μορφηs, αλλα και τραινα, πλοια ακομη και αεροσκαφη.
Ηδη λειτουργουν στην βορεια Γερμανια πειραματικα με κυψελεs καυσιμου υδρογονοκινητα τραινα που πραγματοποιουν δρομολογια στιs πολειs Κουξχαφεν, Μπρεμερχαφεν και Μπουξτεχουντε δυτικα του Αμβουργου.
Φαινεται οτι ο υδρογονοκινητοs σιδηροδρομοs στην Ευρωπη θα γινει τα επομενα χρονια η ραχοκοκαλια των μετακινησεων.
Η κυψελη καυσιμου (Μεμβρανηs ανταλλαγηs πρωτονιων, Αλκαλικη, Μεθανοληs, Φωσφορικου Οξεοs, Τηγμενου ανθρακικου αλατοs και Στερεου Οξειδιου) ειναι μια ηλεκτροχημικη συσκευη η οποια μετατρεπει την χημικη ενεργεια ενοs καυσιμου απευθειαs σε ηλεκτρικη και αποτελειται απο μια ανοδο, μια καθοδο και μια μεμβρανη ηλεκτρολυτη.
Λειτουργει περνωνταs πρωτιο υδρογονο μεσω τηs ανοδου και του οξυγονου μεσω τηs καθοδου.
Στην ανοδο, τα μορια υδρογονου χωριζονται σε ηλεκτρονια και πρωτονια.
Τα πρωτονια διερχονται μεσω τηs μεμβρανηs ηλεκρολυτη, ενω τα ηλεκτρονια ωθουνται μεσω κυκλωματοs, δημιουργωνταs ηλεκτρικο ρευμα και θερμοτητα.
Στην καθοδο τα πρωτονια, τα ηλεκτρονια και το οξυγονο συνδυαζονται και παραγουν μορια υδατοs.
Η συμβατοτητα τηs κυψεληs καυσιμου με ανανεωσιμεs πηγεs και συγχρονουs φορειs ενεργειαs οπωs π.χ. το υδρογονο, την καθιστουν ωs την συσκευη μετατροπηs ενεργειαs του μελλοντοs και την πλεον καταλληλη για μια αειφορο αναπτυξη, διοτι μεμονωμενεs κυψελεs καυσιμου μπορουν να συγκεντρωθουνη μεταξυ τουs για να σχηματισουν στοιβεs και με την σειρα τουs αυτεs οι στοιβεs μπορουν να συνδυαστουν σε μεγαλυτερα συστηματα που ποικιλουν σημαντικα σε μεγεθοs και ισχυ, απο φορητα συστηματα για επαναφορτιση μπαταριων σμαρτφωνε εωs αντικαταστασειs κινητηρων καυσηs για ηλεκτρικα οχηματα, σε μεγαλεs εγκαταστασειs πολλαπλων Μεγαβατ που παρεχουν ηλεκτρικη ενεργεια απευθειαs στο ηλεκτρικο δικτυο.
Οι διαφορετικοι τυποι κυψελων καυσιμου διακρινονται αναλογα με τον ηλεκτρολυτη που χρησιμοποιειται και καθοριζει το ειδοs τηs χημικηs αντιδρασηs που πραγματοποιειται μεσα στην κυψελη, το ειδοs του καταλυτη που απαιτειται, την θερμοκρασια λειτουργιαs, τα καυσιμα που χρησιμοποιουνται (υγρα ‘η αερια καυσιμα, οπωs το υδρογονο, τουs υδρογονανθρακεs, βιοκαυσιμα, μεθανολη, αιθανολη και το φυσικο αεριο) και αλλουs παραγοντεs.
Η αναγνωριση του ρολου του υδρογονου και των ισοτοπων αυτου ωs ενοs απο τουs σημαντικοτερουs μεσοπροθεσμουs ενεργειακουs φορειs καταχυρωνεται απο την αναπτυξη στρατηγικων και πολιτικων απο τιs ΗΠΑ και ειδικα απο την Ιαπωνια και λιγωτερο απο την Ε.Ε..
Ο σχεδιασμοs αφορα τοσο την υποστηριξη τηs αναπτυξηs τηs τεχνολογιαs οσο και την διαμορφωση των συνθηκων ενταξηs των τεχνολογιων υδρογονου και των κυψρλων καυσιμου στον ενεργειακο χαρτη σε εθνικο και διεθνεs επιπεδο.
Υπαρχει και εαν ναι ποια ειναι η ενεργειακη στρατηγικη τηs Ελλαδοs στο πλαισιο αυτο;
Δεν πρεπει να λησμονειται οτι η Ελλαδα ειναι παγκοσμιωs η χωρα με την μεγαλυτερη πλοιοκτησια (20,67 % τηs χωρητικοτηταs τηs Ε.Ε.) παρ’ ολου που ο πληθυσμοs τηs αντιπροσωπευει το 0,16 % του παγκοσμιου πληθυσμου.
Οι Ελληνεs πλοικτητεs ελεγχουν σημερα το 21,7 % του παγκοσμιου στολου μεταφοραs χυδην ξηρου φορτιου, του 8,92 % του παγκοσμιου στολου μεταφοραs εμπορευματοκυβωτιων, το 32,64 % του παγκοσμιου στολου δεξαμενοπλοιων, το 13,14 % του παγκοσμιου στολου μεταφοραs χημικων και παραγωγων πετρελαιου και το 16,33 % του παγκοσμιου στολου υγροαεροφορων (LNG/LPG).
Και οι Ελληνεs πλοιοκτητεs θα αναγκασθουν να υιοθετησουν λυσειs για την μειωση των εκπομπων καυσαεριων εντοs των ισχυοντων και αλλων μελλοντικων οριων που θα
επιρεασουν αμεσα την βιωσιμοτητα των ναυτιλιακων τουs επιχειρησεων.
Η προοδοs τηs τεχνολογιαs προωσηs στην παγκοσμια ναυτιλια δεν εχει συμβαδισει ακομη με την αντιστοιχη για τιs οδικεs μεταφορεs.
Οι λογοι ειναι πολλοι, εκ των οποιων ο κυριοτεροs, η ελλειψη αυστηρων κανονισμων σχετικα με τιs περιβαλλοντικεs επιπτωσειs τηs ναυτιλιαs.
Οι νεοι κανινισμοι επιδιωκουν ωστοσι να αλλαξουν την ισχυουσα ακομη πρακτικη. Ειδικα για περιοχεs ελεγχου εκπομπων (ECA) οι απαιτησειs προβλεπεται να ειναι ιδιαιτερα αυστηρεs και θα ειναι δυσκολο να εκπληρωθουν με τουs παραδοσιακουs κινητηρεs ντιζελ και καυσιμα, παρ’ ολεs τιs βελτιωσειs κινητηρα με την επανακυκλοφορια των καυσαεριων, με τα δυο σταδια συμπιεσηs, με τον κυκλο Μιλλερ αργηs καυσηs, με τον σχεδιασμον θαλαμου εξυπνηs καυσηs και τα προηγμενα συστηματα εγχυσηs καυσιμου, μετεπεξεργασια καυσαεριων, οπωs πλυντριδεs ‘η επιλεκτικη καταλυτικη αναγωγη και τελοs με την χρηση διαφορετικων καυσιμων οπωs ντιζελ χαμηλου θειου ‘η υγροποιημενου φυσικου αεριου.
Η ισχυs του ντιζελ θα εγκαταληφθει συντομα.
Μεταξυ των πιθανων εναλλακτικων λυσεων, οι κυψελεs καυσιμου θεωρουνται οτι ειναι μια απο τιs πιο ελπιδοφορεs μελλοντικεs τεχνολογιεs.
Οι επεκτεινομενεs υποδομεs του υγροποιημενου φυσικου αεριου και η ανεπτυγμενη κατασταση των κυψελων καυσιμου με φυσικο αεριο μπορει να διευκολυνει την εισαγωγη των αεριων καυσιμων και των κυψελων καυσιμων στα πλοια.
Συνδυασμενοι κυκλοι κυψελων καυσιμου, συνδυασμοs με βοηθητικα συστηματα αποθηκευσηs ηλεκτρικηs ενεργειαs και οι βελτιωσειs, προσδιοριζονται ωs θεματα μελετηs απο τα ΑΕΙ τηs χωραs.
Τι εργο εχει να επιδειξει μεχρι σημερα η απο το 2006 δημιουργηθεισα Συντονιστικη Επιτροπη τηs Ελληνικηs Πλατφορμαs Υδρογονου: Συμφωνα με τιs εκτιμησειs των Οδικων Χαρτων τηs Ε.Ε., των ΗΠΑ και τηs Ιαπωνιαs, οι ενεργειακεs αναγκεs με οριζοντα 2050-2100 θα καλυπτονται απο συνδυασμο πυρηνικηs ενεργειαs, δεσμευση διοξειδιου του ανθρακα και ΑΠΕ σε συνδυασμο με εξοικονομηση ενεργειαs.
Ο κυριοs ρολοs του υδρογονου σε ενα τετοιο ενεργειακο σκηνικο θα ειναι η χρηση του στον τομεα των μεταφορων (σε συνδυασμο με βιοκαυσιμα), ενω οι κυψελεs καυσιμου θα συνεισφερουν στην ενεργειακη αποδοτικοτητα.
Σε μια τετοια προοπτικη το μελλοντικο ηλεκτρικο συστημα και η οικονομια του υδρογονου ειναι αμεσα συζευγμενεs.
Λαμβανοντασ υποψη τα παραπανω για τον ρολο του πρωτιου υδρογονου στο διαμορφουμενο ενεργειακο σκηνικο, τιs ιδιαιτεροτητεs τηs ελληνικηs ναυτιλιαs και του ελληνικου ενεργειακου συστηματοs και τιs δυνατοτητεs των ελληνικων εταιρειων και του ερευνητικου δυναμικου των ελληνικων ΑΕΙ, θα πρεπει να δοθει ιδιαιτερη προσοχη στην μελλοντικη παραγωγη πρωτιου υδρογονου, στην αποθηκευση και διανομη αυτου και στιs εφαρμογεs στην ελληνικη ναυτιλια, τηs οποιαs η βιωδσιμοτητα πρεπει πασηs θυσιαs να διασφαλιστει απο την εκαστοτε ελληνικη κυβερνηση, απο τουs θεσμουs τηs Ε.Ε. και τα αρμοδια οργανα καθωs και απο τα χρηματοπιστωτικα ιδρυματα.
Η απουσια μιαs αξιοπιστηs και οικονομικηs λυσηs για την αποθηκευση σοβαρων ποσοτητων υδρογονου, θα εμποδισει σοβαρα τιs επενδυσειs αναπτυξηs τηs καταλληληs υποδομηs οσον αφορα τιs νεεs τεχνολογιεs υδρογονου υπο πιεση και του υδρογονου προσροφησηs σε υλικα.
Στην επιλυση του προβληματοs προσροφησηs υδρογονου σε υλικα εκτιμαται οτι οι νανοτεχνολογιεs θα παιξoυν σημαντικο ρολο.
Το πρωτιο υδρογονο χρησιμοποιουνταν μεχρι προσφατα και χρησιμοποιειται ακομη σε μεγαλεs ποσοτητεs για την συνθεση τηs αμμωνιαs, του υδροχλωριου, για την καταλυτικην υδρογονωση των ακορεστων ελαιων προs κεκορεσμενα, τα οποια χρησιμοπουνται ειs την βιομηχανια τηs μαργαρινηs κ.α.
Το υδραεριο που περιεχει πρωτιο υδρογονο χρησιμοποιιται ακομη ωs καυσιμο καθωs επισηs και για την συνθεση μεθυλικηs αλκοοληs και διαφορων αλλων οργανικων σωματων.
Το πρωτιο υδρογονο ιδιωs σε ατομικη μορφη βρισκει σε μεγαλη κλιμακα ακομη εφαρμογη στην οξυ-υδρικη φλογα για την τηξη και κοπη των μεταλλων.
Τελευταια χρησιμοποιειται ωs καυσιμο για την μεταβολλη ηλεκτρικηs ενεργειαs και σε μη συμβατικα μεσα οπωs ειναι οι κυψελεs καυσιμου με μεγαλεs αποδοσειs, ενω το μονο προ’ι’ον τηs καυσηs αυτηs ειναι το υδωρ.
Ενδεικτικη ειναι σημερα και η στροφη στην παραγωγη πρωτιου υδρογονου μεσω ηλεκτρολυσηs του υδατοs απο ΑΠΕ και ειδικοτερα μεσω τηs ηλιακηs ενεργειαs, η οποια αποτελει την κατεξοχην ενεργειακη πηγη του πλανητη μαs.
Η ενεργεια αυτη μετατρεπεται με την βοηθεια των φωτοβολτα’ι’κων στοιχειων και των ανεμογεννητριων αντιστοιχα, σε ηλεκτρικη.
Επιπλεον, η ηλιακη ενεργεια με την βοηθεια των φυτων και τηs διεργασιαs τηs φωτοσυνθεσηs, μετατρεπεται σε βιολογικη ενεργεια απ’ οπου προκυπτουν τα βιοκαυσιμα (βιοαιθανολη, βιοντηζελ κ.α.).
Η συμβατικη ηλεκτρολυση ειναι μια διαδικασια, κατα την οποια η ηλεκτρικη ενεργεια μετατρεπεται σε χημικη.
Με την διαδικασια αυτη χρησιμοποιειται ο ηλεκτρισμοs απο μια εξωτερικη πηγη για να διασπασσει το υδωρ σε πρωτιο υδρογονο και οξυγονο, αποθηκευονταs αυτον στο πρωτιο υδρογονο, με την μορφη χημικηs ενεργειαs.
Η ηλεκτροχημικη αναμορφωση σε ηλεκτροχημικουs αναμορφωτεs ‘η αντιδραστηρεs ηλεκτροχημικηs αναμορφωσηs επιφερει τα ιδια αποτελεσματα με την ηλεκτρολυση, με την διαφορα οτι δεν επιβαλλεται εξωτερικο ηλεκτρικο ρευμα.
Το πρωτιο υδρογονο, ωs ενεργεια δευτερηs μορφηs, παραγεται απο τρια διαφορετικα συστηματα προμηθειαs ενεργειαs, οπωs
απο πετρελαιο, φυσικο αεριο, ανθρακα κ.α.
με πυρηνικουs αντιδραστηρεs, που περιλαμβανουν αντιδραστηρεs
σχασηs και
με ΑΠΕ oπωs η υδροηλεκτρικη, η αιολικη, τα συστηματα μετατροπηs τηs ενεργειαs των ωκεανων σε θερμικη ενεργεια, τα φωτοβολτα’ι’κα, ηλιακα θερμικα συστηματα κ.α.
Το μεγαλυτερο ποσοστο προερχεται απο την αναμορφωση του ατμου απο μεθανιο και αλλα ορυκτα καυσιμα.
Η αναμορφωση του φυσικου αεριου αποτελει την πιο σημαντικη μεθοδο παραγωγηs πρωτιου υδρογονου.
Αυτη
αποτελει ενδοθερμη, καταλυτικη διαδικασια, η οποια πραγματοποιειται σε θερμοκρασια 970-1100 Κελβιν και σε πιεση 3,5 Mpa, ενω ωs καταλυτηs
χρησιμοποιειται το νικελιο.
Το μεγαλο μειονεκτημα τηs μεθοδου αυτηs δημιουργιαs πρωτιου υδρογονου ειναι η εκπομπη μεγαλου ποσοστου διοξειδιου του ανθρακα στην γηινη ατμοσφαιρα, καθωs χρησιμοποιουνται ορυκτα καυσιμα στην διαδικασια παραγωγηs αλλα και σαν πηγη θερμοτηταs.
Το πρωτιο υδρογονο που παραγεται απο τιs ΑΠΕ παιζει καθοριστικο ρολο ωs ενεργειακοs φορεαs για το μελλοντικο ενεργειακο αποθεμα τηs ανθρωποτηταs.
Η ηλεκτρολυση θεωρειται μεν ωs η μοναδικη διεργασια που δεν στηριζεται στα ορυκτα καυσιμα, ενω παρουσιαζει υψηλη καθαροτητα προ’ι’οντοs και ειναι ευελεκτη τοσο σε μικρη οσο και σε μεγαλη κλιμακα, εχει ομωs τρειs φορεs υψηλοτερο κοστοs σε σχεση με την παραγωγη πρωτιου υδρογονου απο αναμορφωση φυσικου αεριου.
Πρωτιο υδρογονο μπορει να απελευθερωθει επισησ απο την απορροφιση
ενεργειασ απο τα μορια του υδατοσ, με ρυθμο 285,57 kJ/mole, απο την υπεριωδη ακτινοβολια.
Ορισμενοι φωτοκαταλυτεs απορροφουν ορατο φωs και μετατρεπουν την ενεργεια του νερου ορισμενου μηκουs κυματοs και συχνοτηταs για την απελευθερωση των σχηματισμενων αεριων.
Οι φωτοκαταλυτεs ειναι συνηθωs ενωσειs αλατων, ημιαγωγων, φωτοσυνθετικα βακτηρια κ.α.
Οι ημιαγωγοι σε αντιθεση με τα μεταλλα παρουσιαζουν αυξηση τηs αγωγιμοτηταs με την θερμοκρασια και μεταπηδηση ορισμενων ηλεκτρονιων απο την ζωνη σθενουs στην ζωνη αγωγιμοτηταs με αυξηση αυτηs.
Με αλλα λογια.
Αυτοι εμφανιζουν δυο ειδη φορεων αγωγιμοτηταs, δηλαδη τα ηλεκτρονια στην ζωνη αγωγιμοτηταs και τιs οπεs στην ζωνη σθενουs.
Η μεγαλυτερη καταναλωση του πρωτιου υδρογονου πραγματιποιειται για την διυλιση του πετρελαιου και στιs πετροχημικεs βιομηχανιεs για την συνθεση τηs αμμωνιαs και τηs μεθανοληs.
Ενα απο τα μεγαλα προβληματα στιs πρακτικεs ενεργειακεs εφαρμογεs χρησιμοποιησηs του πρωτιου υδρογονου ειναι η αποθηκευση τηs απαραιτητηs ποσοτηταs για την λειτουργια τουs. Με αλλα λογια.
Προκειται στην ουσια για προβλημα χωρου. Ενω το πρωτιο υδρογονο εχει την περισσοτερη ενεργεια ανα μοναδα μαζαs απο οποιοδηποτε αλλο καυσιμο (120 MJ/kg, κατωτερη θερμογονοs, εναντι 44 MJ/kg τηs βενζινηs), εχει πολυ λιγη ενεργεια ανα μοναδα ογκου, δηλαδη μικρη πυκνοτητα ενεργειαs.
Με πυκνοτητα μαζαs 0,0838 χιλιογραμμα ανα κυβικο μετρο σε κανονικεs συνθηκεs, το πρωτιο υδρογονο ειναι το πιο ελαφρυ στοιχειο που υπαρχει στην φυση.
Αλλη ειναι η κλιμακα μεγεθουs
αποθηκευσηs πρωτιου υδρογονου οταν προκειται για μεταμορφωση ηλεκτρικηs ενεργειαs για βιομηχανικη και οικιακη χρηση και αλλη στιs μεταφορεs και γενικα στην αυτοκινηση.
Ενα τυπικο ρεζερβουαρ ενοs Ι.Χ. αυτοκινητου εχει ογκο γυρω στα 5 λιτρα και το βαροs τηs βενζινηs που χωραει ειναι γυρω στα 40 χιλιογραμμα. Για το ιδιο ποσο ενεργειαs, το πρωτιο υδρογονο θα εχει 15 χιλιογραμμα βαροs και εαν ειναι αποθηκευμενο σε πιεση 150 bar θα καταλαμβανει ογκο 1200 λιτρα.
Γι’ αυτο στιs πρακτικεs εφαρμογεs το πρωτιο υδρογονο αποθηκευεται:
σαν συμπιεσμενο αεριο
σαν υγροποιημενο αεριο ‘η
σαν στερεο δεσμευμενο σε ενωσειs κυριωs με μεταλλα (υδριδια)
σε χημκεs ενωσειs με αλλα στοιχεια.
Το πρωτιο υδρογονο αποθηκευεται συχνα σε φιαλεs υπο πιεση 350 bar
με πυκνοτητα 31,04 γραμμαρια ανα λιτρο, στοχευονταs τα 700 bar και αποτελει εμπορικα αποτελεσματικη λυση.
Η πιο ενεργειακα πυκνη φυσικη μεθοδοs αποθηκευσηs πρωτιου υδρογονου ομωs ειναι το κρυοσυμπυκνωμενο υδρογονο που αποθηκευεται ωs υγρο σε ατμοσφαιρικη πιεση σε κρυογενικεs δεξαμενεs σε θερμοκρασια -253 βαθμων Κελσιου με πυκνοτητα 70,8 γραμμαριων ανα λιτρο. Μια κρυογενικη δεξαμενη 68 λιτρων μπορει να περιεχει περιπου 5 χιλιογραμμα κρυοσυμπυκνωμενο πρωτιο υδρογονο, το οποιο ειναι επαρκεs για να κινησει ενα επιβατικο αυτοκινητι για αποσταση 500 χιλιομετρων.
Κυριο μειονεκτημα τηs μεθοδου αυτηs ειναι η υψηλη μεταβολλη ενεργειαs που σχετιζεται με τιs διαδικασιεs ρευστοποιησηs και την συνεχη εξατμηση κατα την αποθηκευση.
Μια εναλλακτικη λυση αποτελει η αποθηκευση πρωτιου υδρογονου σε προηγμενα στερεα υλικα τα οποια λειτουργουν σαν μικρο-δεξαμενεs αποθηκευσηs σε ατομικη ‘η μοριακη μορφη.
Το πρωτιο υδρογονο απορροφαται ‘η προσροφαται. Κατα την απορροφηση το πρωτιο υδρογονο απορροφαται απο τον κυριο ογκο του υλικου που δρα ωs σπογγοs.
Η απορροφηση λαμβανει χωρα με την ενσωματωση του πρωτιου υδρογονου σε ατομικη μορφη στιs ενδοθετεs θεσειs του κρυσταλλικου πλεγματοs μεσα απο μια σειρα σταδιων.
Η προσροφηση λαμβανει χωρα μεσα απο την αλληλοεπιδραση των μοριων του πρωτιου υδρογονου με τα τοιχωματα των πορων του προσροφητικου υλικου και διακρινεται σε φυσικη και χημικη ροφηση αναλογα με τιs δυναμειs προσροφησηs που λαμβανουν χωρα σε καθε περιπτωση.
Τα βασικοτερα προβληματα που εμφανιζονται στην χρηση των μεταλλικων υβριδιων για αποθηκευση του πρωτιου υδρογονου ειναι η αντιστρεπτικοτητα κατα την περιοδικη φορτιση-απορφορτιση του υλικου, οι χαμηλοι ρυθμοι φορτισηs-αποφορτισηs καθωs και το μεγαλο βαροs των υλικων αυτων ειδικα σε κινητεs εφαρμογεs.
Επειδη τοσο η προσροφηση οσο και η απορροφηση ειναι εξωθερμεs διεργασιεs απαιτειται κα η αναπτυξη ενοs συστηματοs διαχειρισηs τηs παραγομενηs θερμοτηταs με πολυπλοκεs γεωμετρικεs διαταξειs εναλλακτων θερμοτηταs (πολλαπλοι αυλοι, εσωτερικεs σπειρεs αναλλακτων κ.α.).
Στην χημεια υπαρχουν τα ιονικα (υδριδιο Μαγνησιου),
τα ομοιοπολικα (υδριδιο του Βηρυλλιου) και τα διμεταλλικα με μεταλλα σπανιων γαιων.
Μεγαλεs ποσοτητεs πρωτιου υδρογονου μπορουν να αποθηκευθουν σε υπογειεs φυσικεs δεξαμενεs που περιειχαν καποτε (οπωs το εξαντληθεν θαλασσιο κοιτασμα Νοτιοs Καβαλα απεναντι απο την Καλλιραχι τηs νησου Θασοs) φυσικο αεριο ‘η σε αλλουs γεωλογικουs υπογειουs σχηματισμουs, οπωs θολουs εβαποριτων, αλλα και σε τεχνητα κατασκευασθεντεs υπογειεs δεξαμενεs που θα αυξησουν πολυ το κοστοs αποθηκευσηs.
Η χωρητικοτητα υπογειων φυσικων δεξαμενων μπορει να φθασει εωs 1 δισεκατομμυριο κανονικοποιημενα κυβικα μετρα (Ενα κανονικοποιημενο κυβικο μετρο φυσικο αεριο ειναι η ποσοτητα αυτου που καταλαμβανει ογκο ενοs κυβικου σε κανονικεs συνθηκεs θερμοκρασιαs και πιεσηs).
Υπο την σκοπια των ετησιων αναγκων τηs Ελλαδοs σε φυσικο αεριο των περιπου 7 δισεκατομμυριων κυβικων μετρων, και των μελλοντικων σε πρωτιο υδρογονο για την αυτοκινητοκινηση, το πρωην κοιτασμα φυσικου αεριου Νοτιοσ Καβαλα, ολικου αρχικου αποθεματοs του 1 δισεκατομμυριου κυβικων μετρων, θα αποτελουσε μια ικανοποιητικη λυση αποθηκευσηs φυσικου αεριου ‘η πρωτιου υδρογονου για αντιμετωπιση κρισιμων καταστασεων αναγκων.
Οι αναγαιεs δαπανεs (αμεσεs και εμμεσεs) για την εκπληρωση του εργου (τεσσερεs οριζοντιεs νεεs γεωτρησειs, μετατροπεs στην Πλατφορμα, συμπιεστεs, σωληνωσειs, αναγκαιεs εγκαταστασειs παραγωγηs κλπ.) υπολογιζονται με περιπου 200 εκατομμυρια δολαρια των ΗΠΑ
Η συσταση του στερεου φλοιου του πλανητη μασ μετα των θαλασσων και τησ ατμοσφαιρασ αποτελειται απο Οξυγονο (49,85 %), Πυριτιο (26,03 %),
Αργιλλιο (7,28 %), Σιδηρο (6,12 %), Ασβεστιο (3,18 %), Νατριο (2,33 %), Καλιο (2,33 %), Μαγνησιο (2,11 %), Υδρογονο (0,97 %), Τιτανιο (0,41 %), Χλωριο (0,20 %), Ανθρακα (0,19 %) και αλλα στοιχεια (1 %).
Η συσταση του ανθρωπινου σωματοs αποτελειται απο Οξυγονο (64%), Ανθρακα (20 %), Υδρογονο (10 %), Ασβεστιο (2 %), Αζωτο (2 %), Φωσφορο (1 %) και απο αλλα στοιχεια ωs θειον, καλιον, νατριο μαγνησιον, ιωδιον, χλωριον, φθοριον, λιθιον, αρσενικον, πυρητιον και μαγγανιο (1%).
Τοσο το πρωτιο υδρογονο οσο και τα ισοτοπα του δευτεριο και τριτιο μπορουν να ενωθουν με οξυγονο και να σχηματισουν ενα μοριο υδατοσ.
Επειδη και το οξυγονο παρουσιαζεται σε διαφορα ισοτοπα (16Ο, 17Ο και 18Ο) που ομοιωσ διαφερουν μεταξυ τουσ με ενα συμπληρωματικο νεοτρονιο, υπαρχει μια σειρα συνδυασμων μεταξυ υδρογονου και οξυγονου οι οποιοι ολοι μαζι δημιουργουν το φυσικο υδωρ.
Οι συνδυασμοι αυτοι εχουν ωσ εξηs:
Μορια Υδατοs Ποσοτητα σε φυσικο Υδωρ Ποσοτητα σε βαρυ Υδωρ
% %
1H2 16O 99,73 –
1H2 17O 0,04 73,5
1H2 18O 0,20 14,7
2HΔ 16O 0,032 11,8
2HΔ 17O 0,00001 0,003
2HΔ 18O 0,00006 0,022
3ΗΤ16O 0,000003 0,001
3ΗΤ17O 0,000000001 0,0000003
3ΗΤ18O 0,000000006 0,000002
Απο τον ωs ανω πινακα προκυπτει οτι το 99,73 % ολων των υδατων υφισταται απο τον συνδυασμο των ελαφροτερων ισοτοπων του πρωτιου υδρογονου με τα ελαφροτερα ισοτοπα του οξυγονου.
Ολοι οι υπολοιποι
συνδυασμοι περιεχουν τουλαχιστον ενα νεοτρονιο περισσοτερο.
Γι’ αυτο αλλωστε κατατασσονται κατω απο την ονομασια “Βαρυ υδωρ”.
Απο αυτο τα 88,2 % αποτελουνται παλι μονο απο 1Η2 18Ο και 1Η2 17Ο.
Το δευτεριο υδρογονου υπαρχει στο βαρυ υδωρ μονο με 11,8 % ‘η με 0,03 % στην ολικη ποσοτητα του υδατοs επι του πλανητη μαs των 1,40 δισεκατομμυριων κυβικων χιλιομετρων, δηλαδη συνολικα 420.000 κυβικα χιλιομετρα.
Στο γηινο περιβαλλον το πρωτιο υδρογονο σαν στοιχειο βρισκεται σε μικρεs ποσοτητεs στην ατμοσφαιρα και προερχεται εν μερει απο την επιδραση των υπεριωδων ακτινων στο θαλασσιο υδωρ και στουs υδρατμουs των νεφων Σε υψοs 100-150 χιλιομετρα απο την γηινη επιφανεια βρισκεται σε αναλογια 95,50 %.
Επι του πλανητη μαs το πρωτιο υδρογονο βρισκεται ελευθερο στα αερια των ηφαιστειων, στα ελκη, στα κοιτασματα υδρογονανθρακων και ανθρακων και εγκλειστον σε διαφορα ορυκτα.
Υπο μορφη χημικων ενωσεων ειναι πολυ διαδεδομενο και αποτελει το 1/9 του βαρουs του υδατοs (108.000 mg ανα λιτρο), Ωs συστατικο των ζω’ι’κων και φυτικων κυτταρων παιζει σπουδαιο ρολο στο ζω’ι’κο και φυτικο βασιλειο.
Ενουται απ’ ευθειαs με τα αλογονα προs σχηματισμο υδραλογονων, καθωs επισηs και με διαφορα μεταλλα σε υψηλεs θερμοκρασιεs και σχηματιζει υδρογονουχεs ενωσειs που μπορουν να διασπασθουν απο το υδωρ προs υδρογονο.
Βιομηχανικα το πρωτιο υδρογονο μπορει να παρασκευασθει δια ηλεκτρολυσεωs του υδατοs και δια οξειδωσεωs του μεθανιου με υδρατμουs και με καταλυτη το κωκ εκ των γαιανθρακων.
Ενω το καθαρον υδωρ δεν ειναι ηλεκτρολυσιμον, με προσθηκη ολιγου θε’ι’κου οξεωs ‘η υδροξυλιου του νατριου, αυτο γινεται αγωγον και κατα την διοδον του ηλεκτρικου ρευματοs αυτο διασπατα σε πρωτιον υδρογονο και οξυγονο.
Στην πραγματικοτητα ομωs το ελευθερουμενο πρωτιο υδρογονο και το οξυγονο προερχονται απο τιs αντιδρασειs μεταξυ του υδατοs και των πτο’ι’οντων ηλεκτρολυσεωs του θε’ι’κου οξεουs ‘η υδροξυλιου του νατριου, τα οποια τελικωs ανασχηματιζονται.
Γ. Θ. Χατζηθεοδωρου
Βιβλιογραφια
Δακογλου Ι,: Ο Μυστικοs Κωδικαs του Πυθαγορα και η
Αποκρυπτογραφηση τηs Διδασκαλιαs του.
Εκδ. Νεα Θεσιs, Αθηνα 2005
2. Χατζηθεοδωρου Γ,: Γεφυρωνεται το “Χασμα” τηs Φυσικηs
Δαυλοs 293,Ιουλ.-Αυγ. 2006
3. Χατζηθεοδωρου Γ.: Μεταφυσικη
Δαυλοs 306, Σεπτεμβριοs 2008
Leave a Reply