ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ & ΥΔΡΟΓΟΝΟ - ΜΑΚΡΙΝΟ ΜΕΛΛΟΝ...
ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ
Οι κυψέλες καυσίμου αναπτύχθηκαν θεωρητικά στο τέλος του 19ου αιώνα. Οι πρώτες κυψέλες καυσίμου κατασκευάστηκαν για το διαστημικό πρόγραμμα Απόλλων. Οι κυψέλες καυσίμου, τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται σε πειράματα για την κίνηση των αυτοκινήτων καθώς και για οικιακή και βιομηχανική χρήση. Οι κυψέλες αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια.
ΟΡΙΣΜΟΣ – ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ
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. Ο ηλεκτρισμός παράγεται με τη μορφή συνεχούς ρεύματος σαν μια μπαταρία αλλά σε σύγκριση με τη μπαταρία ποτέ δεν αδειάζει και συνεχίζει να παράγει ενέργεια για όσο διάστημα η κυψέλη τροφοδοτείται με υδρογόνο. Η ενέργεια που παράγεται από τη κυψέλη καυσίμου είναι “πράσινη ενέργεια” γιατί δε γίνεται καύση του υδρογόνου για να παραχθεί καυσαέριο αλλά γίνεται ένωση υδρογόνου με το οξυγόνο για τη παραγωγή νερού και ηλεκτρικού ρεύματος.
Από την είσοδο της κυψέλης, που βρίσκεται το ηλεκτρόδιο ανόδου, διοχετεύεται υδρογόνο. Ο καταλύτης φροντίζει ώστε τα μόρια του υδρογόνου να διασπαστούν σε πρωτόνια και σε ηλεκτρόνια.
Λόγω των ιδιοτήτων τους τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να διαπεράσουν την μεμβράνη και εξαναγκάζονται να κινηθούν όλα μαζί προς την κατεύθυνση του καταναλωτή που μπορεί να έχει την μορφή ενός μετασχηματιστή, ηλεκτροκινητήρα κ.α. Το ταξίδι όμως των ηλεκτρονίων συνεχίζεται γύρω από την μεμβράνη μέχρι να συναντηθούν με τα ιόντα του υδρογόνου (τα πρωτόνια) που έχουν από πριν διαπεράσει την μεμβράνη.
Ηλεκτρόνια και πρωτόνια φτάνουν στην κάθοδο όπου υπάρχει ατμοσφαιρικός αέρας. Η επαφή τους με το οξυγόνο του αέρα έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία νερού, από εκεί δηλαδή που ξεκινά η ηλεκτρόλυση. Οι ενεργειακές κυψέλες δεν έχουν κινούμενα μέρη, είναι αθόρυβες και ελαφριές και είναι μέχρι δυόμισι φορές πιο αποδοτικές από ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης.
Λόγω των ιδιοτήτων τους τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να διαπεράσουν την μεμβράνη και εξαναγκάζονται να κινηθούν όλα μαζί προς την κατεύθυνση του καταναλωτή που μπορεί να έχει την μορφή ενός μετασχηματιστή, ηλεκτροκινητήρα κ.α. Το ταξίδι όμως των ηλεκτρονίων συνεχίζεται γύρω από την μεμβράνη μέχρι να συναντηθούν με τα ιόντα του υδρογόνου (τα πρωτόνια) που έχουν από πριν διαπεράσει την μεμβράνη.
Ηλεκτρόνια και πρωτόνια φτάνουν στην κάθοδο όπου υπάρχει ατμοσφαιρικός αέρας. Η επαφή τους με το οξυγόνο του αέρα έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία νερού, από εκεί δηλαδή που ξεκινά η ηλεκτρόλυση. Οι ενεργειακές κυψέλες δεν έχουν κινούμενα μέρη, είναι αθόρυβες και ελαφριές και είναι μέχρι δυόμισι φορές πιο αποδοτικές από ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης.
Οι κυψέλες καυσίμου είναι πολύ αξιόπιστες. Δεν έχουν μετακινούμενα μέρη και έτσι δε φθείρονται. Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται ήδη στα διαστημικά προγράμματα. Οι κυψέλες καυσίμου PEM είναι νέα υψηλή τεχνολογία και ο πιο κατάλληλος τύπος για χρήσης σε οχήματα και για οικιακή ή βιομηχανική χρήσης και ένια σε θέση να διαρκέσουν τουλάχιστον 20 χρόνια χωρίς αντικατάσταση. Η κυψέλη καυσίμου είναι ήσυχη, και καθαρή. Οι κυψέλες συνήθως λειτουργούν με καθαρό αέριο υδρογόνο, το οποίο μπορεί να παραχθεί από ηλιακή ενέργεια όπως και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Ανεμογεννήτριες). Δε μολύνουν το περιβάλλον και το μόνο παραπροϊόν είναι το καθαρό νερό. Οι κυψέλες καυσίμου έχουν βαθμό απόδοσης περίπου στο 80% ενώ στις M.Ε.Κ ο βαθμός απόδοσης είναι 12 – 15% και αφού δεν υπάρχουν μετακινούμενα μέρη είναι πολύ αξιόπιστες και κάνουν πολύ λίγο θόρυβο.
Ένας άλλος παράγοντας είναι η ασφάλεια των κυψελών που έχουν γύρω τους υδρογόνο. Στη πραγματικότητα το υδρογόνο μπορεί να είναι πιο ασφαλές από τη βενζίνη. Το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ αέριο και έτσι εάν υπάρχει διαρροή, τείνει να κατευθύνεται προς τα πάνω πολύ γρήγορα και διασκορπίζεται στην ατμόσφαιρα όπου είναι ακίνδυνο. Είναι μη τοξικό. Αντίθετα εάν υπάρχει διαρροή βενζίνης, η βενζίνη μπορεί να καεί πιο εύκολα και είναι δηλητηριώδης. Το υδρογόνο αν και δεν είναι απολύτως ακίνδυνο (όπως ισχύει για κάθε εύφλεκτο υλικό), συγκριτικά είναι ασφαλές καύσιμο.
ΤΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΩΣ ΚΑΥΣΙΜΟ ΣΤΙΣ Μ.Ε.Κ.
Καταρχήν, πρέπει να εξετάσουμε τους τρόπους παραγωγής υδρογόνου. Μία μέθοδος είναι η ηλεκτρόλυση του νερού. Κατά την ηλεκτρόλυση του νερού, το νερό διασπάται στα βασικά στοιχεία όπου το αποτελούν, υδρογόνο και οξυγόνο με την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διεργασίας είναι η υψηλής καθαρότητας υδρογόνο που παράγεται. Ωστόσο, αποτελεί ακριβή μέθοδο εξαιτίας του κόστους του ηλεκτρικού ρεύματος το οποίο απαιτείται. Η απευθείας ηλεκτρόλυση νερού μέχρι και τη δεκαετία του '50 είχε ευρεία χρήση στην παραγωγή υδρογόνου. Σήμερα, ένα μικρό μόνο ποσοστό υδρογόνου παράγεται κατά αυτόν τον τρόπο σε εφαρμογές κυρίως όπου χρειάζεται μικρός όγκος καθαρού υδρογόνου. Ωστόσο παράλληλα παρατηρείται μια αναγέννηση του ενδιαφέροντος με την κατασκευή ολοκληρωμένων συστημάτων ηλεκτρολυτών σε συνδυασμό με εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακής ή αιολικής).
Για να χρησιμοποιήσουμε υδρογόνο ως καύσιμο, πρέπει πρώτα να εξασφαλίσουμε κάποια χαρακτηριστικά του κινητήρα, όπως η επαρκή ισχύ, η υψηλή απόδοση, λογική κατανάλωση καυσίμου, η αξιοπιστία και η ασφάλεια. Όπως είπαμε οι κυψέλες έχουν μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από τις Μ.Ε.Κ ακόμη και αν οι Μ.Ε.Κ χρησιμοποιούν μόνο υδρογόνο. Η αντίδραση της καύσης του υδρογόνου είναι η επανένωση του υδρογόνου με το οξυγόνο η οποία οδηγεί στη παραγωγή ατμού και ταυτόχρονα στη απελευθέρωση ενέργειας.
Στη πράξη οι κινητήρες υδρογόνου εκπέμπουν και οξείδια του αζώτου και κάποιους άκαυστους υδρογονάνθρακες καθώς επίσης και λίγο μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό συμβαίνει γιατί μέρος του λιπαντικού της μηχανής πάντα καταφέρνει να περάσει στο θάλαμο καύσης. Έχει μετρηθεί όμως ότι χρειάζονται 300 μηχανές υδρογόνου να δουλεύουν μαζί για να παραχθεί διοξείδιο του άνθρακα ίσο με αυτό που εκλύεται από μια μηχανή βενζίνης!!!
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ
Το υδρογόνο έχει πολύ μικρή πυκνότητα και αυτό σημαίνει ότι πολύ μεγάλοι όγκοι καυσίμου είναι απαραίτητοι για την αποθήκευση και τη καύση του. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι: Ένα κυβικό μέτρο βενζίνης ζυγίζει κάπου λιγότερο από ένα τόνο, ένα κυβικό μέτρο αέρα ζυγίζει 1,2 Kg και ένα κυβικό μέτρο ζυγίζει μόλις κάτι παραπάνω από 80gr!!! Επιπλέον το υδρογόνο έχει πολύ μεγάλο συντελεστή διάχυσης που σημαίνει ότι όταν διαφύγει μπορεί να φτάσει σε διάφορα μέρη του οχήματος πολύ γρήγορα. Χρειάζεται λοιπόν πολύ προσοχή στην παραγωγή και την εκμετάλλευση του. Αυτό σημαίνει χρήση πολύ ασφαλών ντεπόζιτων αποθήκευσης και ανεφοδιασμού αλλά και χρήση ειδικών αισθητήρων που να μπορούν να διαισθανθούν ακόμα και τη παραμικρή διαφυγή υδρογόνου, ώστε να σταματήσουν έγκαιρα και αυτόματα τη πηγή της διαρροής.
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ
Σήμερα δεν υπάρχουν ακόμη στο εμπόριο εγχυτήρες (μπεκ) αποκλειστικά για υδρογόνο αλλά χρησιμοποιούνται τα μπέκ που έχουν σχεδιαστεί για κινητήρες φυσικού αερίου. Εδώ προκύπτει όμως ένα πρόβλημα… Έχει να κάνει με το χρόνο ζωής των μπέκ γιατί το υδρογόνο είναι πολύ ξηρό καύσιμο και προσφέρει τη μικρότερη λιπαντική ικανότητα σε σχέση με άλλα καύσιμα.
ΒΑΘΜΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Μ.Ε.Κ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ
Αν κοιτάξουμε το βαθμό απόδοσης μιας μηχανής με χρήση διαφορετικών καυσίμων αλλά με τον ίδιο λόγο συμπίεσης και τις ίδιες συνθήκες περιβάλλοντος, οι τιμές που θα προκύψουν θα διαφέρουν πολύ λίγο μεταξύ τους για τα διάφορα καύσιμα και μάλιστα η μηχανή με χρήσης υδρογόνου θα έχει -έστω και ελάχιστα- μεγαλύτερη απόδοση.
ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ
· Στα αυτοκίνητα, φορτηγά, λεωφορεία, μηχανάκια
· Σε αεροδρόμια, σταθμούς λεωφορείων
· Σε διαστημικά λεωφορεία
· Σε υποβρύχια
Αν σας αρέσουν τα άρθρα του vehiclestech.blogspot.gr στηρίξτε μας με μια δωρεά στο παρακάτω Donate Button.
