Περιβάλλον: Το Υδρογόνο, πλεονεκτήματα και κίνδυνοι

Περιβάλλον: Το Υδρογόνο, πλεονεκτήματα και κίνδυνοι

Το Υδρογόνο (Η2) είναι το πλέον κοινό στοιχείο του σύμπαντος. Χαρακτηριστικά, ο ήλιος “καίει” 600 δισεκατομμύρια κιλά Η2 ανά δευτερόλεπτο. Στην Γη, σε αντίθεση με το πετρέλαιο το οποίο αναβλύζει σχεδόν καθαρό από το υπέδαφος, δεν υπάρχουν πηγές καθαρού Η2. Θα πρέπει να δαπανηθεί ενέργεια για την απομόνωση του Η2 από τα άλλα χημικά στοιχεία με τα οποία είναι συνδεδεμένο, αλλά και για την αποθήκευσή του.

Κώστας Κάππας

Σήμερα, η παραγωγή του γίνεται με κλασσικούς τρόπους, όπως · η ηλεκτρόλυση του ύδατος (Η2Ο), · η θερμοχημική επεξεργασία διαφόρων πρώτων υλών (φυσικό αέριο, γαιάνθρακα, υγροποιημένο αέριο πετρελαίου – LPG, βιομάζα), ·η μικροβιακή επεξεργασία αποβλήτων, κ.ά.. Στην πράξη, το 95% του Η2 παράγεται από φυσικό αέριο (Μεθάνιο).

Λόγω της εξαιρετικά ισχυρής, εκρηκτικής και άμεσης ενέργειας την οποία παράγει, σήμερα χρησιμοποιείται στα διαστημικά οχήματα. Επίσης, ως ψυκτικό μέσον των γεννητριών ενέργειας σε ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες (λόγω υψηλής θερμοχωρητικότητος), στην βιομηχανία για παραγωγή Αμμωνίας και Μεθανόλης αλλά και στην ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών των πολιτών. Ήδη αυτοκίνητα, λεωφορεία, περονοφόρα ανυψωτικά μηχανήματα, τραίνα, μοτοσυκλέτες, πλοία, αεροπλάνα, υποβρύχια, κ.α., χρησιμοποιούν υδρογονοκίνηση.

Το παράδειγμα της Ισλανδίας

Ο πρώτος Ισλανδικός σταθμός παροχής Η2(παραγομένου με την μέθοδο της ηλεκτρόλυσης του Η2Ο), λειτουργεί ήδη στα περίχωρα της πρωτεύουσας Reykjavik και τροφοδοτεί ένα μικρό στόλο λεωφορείων. Ταυτόχρονα, η “Ισλανδική Νέα Ενέργεια” – κοινοπραξία η οποία περιλαμβάνει αυτοκινητοβιομηχανίες, την Royal Dutch/Shell και την ισλανδική εταιρεία παραγωγής ενέργειας Norsk Hydro, σχεδιάζει να μετατρέψει ολόκληρο το ενεργειακό σύστημα της χώρας σε “υδρογονοκινούμενο”. Το 72% της ηλεκτρικής ενέργειας της Ισλανδίας προέρχεται από γεωθερμικές και υδροηλεκτρικές πηγές. Κατά συνέπεια, η Ισλανδία έχει την δυνατότητα να ηλεκτρολύει το Η2Ο για την παραγωγή Η2 καταναλώνοντας “καθαρή” ηλεκτρική ενέργεια, την οποία αντλεί από το εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο. Αυτή η διαδικασία όμως είναι αδύνατον να ακολουθηθεί από άλλες χώρες, όπου απαιτείται καύση συμβατικών καυσίμων για να παραχθεί καθαρή ενέργεια.

ΑΥΤΟΚΙΝΗΣΗ Η2 ΚΑΙ ΣΚΕΠΤΙΚΙΣΜΟΣ

Που διαφέρουν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης Η2 και οι κυψέλες καυσίμου Η2;

Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης Η2 είναι μία ελαφρώς διαφοροποιημένη έκδοση του κλασσικού βενζινοκίνητου. Εφοδιάζεται η δεξαμενή με απεσταγμένο νερό, το οποίο με ηλεκτρόλυση παράγει σε χωριστές εξόδους Υδρογόνο (το οποίο οδηγείται μέσω του αεραγωγού στο θάλαμο καύσης) και Οξυγόνο (Ο2) το οποίο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Η κύρια διαφορά όμως ευρίσκεται στα καυσαέρια: ενώ οι βενζινοκινητήρες εξάγουν διοξείδιο του Άνθρακος (CO2), οξείδια του Αζώτου και υδρατμούς, οι κινητήρες Η2 εξάγουν μόνο υδρατμούς.
Η “Κυψέλη καυσίμου” είναι μηχανισμός ηλεκτροχημικής παραγωγής ενέργειας: μετατρέπει(ήδη αποθηκευμένο) Υδρογόνο και (ατμοσφαιρικό) Οξυγόνο σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα ηλεκτρισμό και θερμότητα. Οι κυψέλες καυσίμου Η2 διαφέρουν από τις μπαταρίες, καθώς απαιτούν συνεχή μίξη καυσίμου αερίου Η2 και Ο2 για να πραγματοποιηθεί και να συντηρηθεί η χημική αντίδραση. Είναι σχετικά ακριβή τεχνολογία, καθώς απαιτείται η χρήση σπανίων μετάλλων, όπως ο Λευκόχρυσος. Αντίθετα, στις μπαταρίες η χημική ενέργεια είναι ήδη αποθηκευμένη στο εσωτερικό τους.

Αυτοκίνητα με κυψέλες Υδρογόνου

Ένα λίτρο βενζίνης περιέχει περίπου 2600 φορές την ενέργεια ενός αερίου λίτρου Η2. Συνεπώς τα αυτοκίνητα είναι υποχρεωμένα να αποθηκεύουν το Η2 σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, έως και 680 ατμόσφαιρες. Ακόμη και σε αυτές τις πιέσεις, όμως, τα αυτοκίνητα θα χρειάζονται τεράστιες δεξαμενές (έως και τετραπλάσιες ενός ντεπόζιτου βενζίνης).

Το υγρό H2, αντίθετα, λειτουργεί καλύτερα, απαιτώντας το πολύ έως και διπλάσιου όγκου δεξαμενή σε σχέση με το συμβατικό αυτοκίνητο. Για να διατηρηθεί όμως το Η2 σε υγρή μορφή, θα πρέπει η θερμοκρασία του να είναι ιδιαίτερα χαμηλή (–253° Κελσίου). Οι κατασκευαστές κατέληξαν στην λύση της “υπερμόνωσης”: ρεζερβουάρ H2 με διπλά τοιχώματα, αρκετά στρώματα Αλουμινίου και υαλονήματα, των οποίων το πάχος φτάνει τα 30 mm. Η μόνωση αυτή είναι τόσο αποτελεσματική “ώστε αν γεμίζατε το ρεζερβουάρ με καυτό καφέ, θα έπρεπε να περιμένετε περίπου 80 ημέρες ώστε να κρυώσει σε θερμοκρασία κατάλληλη για να τον πιείτε” σύμφωνα με την BMW.

Ωστόσο, ακόμα και η υπερ-μόνωση εν κενώ, δεν μπορεί να αποτρέψει την άνοδο της θερμοκρασίας και την αύξηση της πίεσης, με αποτέλεσμα μικρή ποσότητα υγρού Η2 συνεχώς να εξατμίζεται. Λόγω αυτής ακριβώς της ιδιαιτερότητος, η BMW δεν συνιστά το παρκάρισμα του μοντέλου της Hydrogen 7 σε κλειστά γκαράζ, καθώς η επαφή του Η2 με τον αέρα δημιουργεί ένα εκρηκτικό μείγμα.

Τα ως άνω αντικρουόμενα επιχειρήματα και παραδείγματα καταδεικνύουν το δίλημμα στο οποίο ευρίσκονται κατασκευαστές και κυβερνήσεις. Ιδιαίτερα στις Η.Π.Α., εμφανίζεται η άποψη ότι καλύτερη λύση για την αντιμετώπιση του φαινομένου της αύξησης της θερμοκρασίας του πλανήτη, είναι να διακοπεί η έρευνα για την παραγωγή αυτοκινήτων H2 και να αναπτυχθούν κυψέλες καυσίμου οι οποίες θα παρέχουν ηλεκτρισμό σε κατοικίες και επιχειρήσεις.

Καύσιμο Υδρογόνο και ρύπανση

Εν αντιθέσει με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι κυψέλες καυσίμου Η2 δεν εκλύουν CO2. Αλλά ο διαχωρισμός του Η2 από το φυσικό αέριο, την κύρια πηγή παραγωγής του σήμερα, ρυπαίνει εκλύοντας CO2. Ταυτόχρονα, η εναλλακτική λύση παραγωγής Η2 με ηλεκτρόλυση του Η2Ο (το οποίο δεν εκλύει CO2), απαιτεί κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας.

Σύμφωνα με μελέτη του “University of California – Davis (UCD)”, δημοσιευμένη το 2009 στο επιστημονικό περιοδικό “Journal of Power Sources”,τα αυτοκίνητα τα οποία χρησιμοποιούν Η2 το οποίο έχει εξαχθεί από φυσικό αέριο ή Η2Ο, στο σύνολο του κύκλου ζωής τους, συμβάλουν τελικά σε παραπάνω αύξηση των επιπέδων CO2 της ατμόσφαιρας από ότι ένα συμβατικό αυτοκίνητο.»Οι άνθρωποι πιστεύουν ότι τα αυτοκίνητα Η2 δε θα μολύνουν το περιβάλλον», εξηγεί ο David Keith, καθηγητής Μηχανικής του University of Calgary, Canada. «Και οι λαμπτήρες φωτισμού δεν μολύνουν, μολύνουν όμως τα εργοστάσια τα οποία παράγουν την ενέργεια για την λειτουργία τους».

Η ηλεκτρόλυση του Η2Ο με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), όπως η ηλιακή και η αιολική, θα μπορούσε να εξαλείψει τα θέματα μόλυνσης τα οποία εγείρουν τα συμβατικά καύσιμα και η πυρηνική ενέργεια. Όμως το πρόβλημα είναι ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μπορούν να μας δώσουν μικρό μόνο μέρος της συνολικής ενέργειας η οποία απαιτείται για οικονομία βασισμένη στο Η2.

Επίσης, ο αντίλογος έχει ένα σοβαρό επιχείρημα: “εάν αποφασίσουμε να χρησιμοποιήσουμε στο μέγιστο των δυνατοτήτων μας τις ΑΠΕ, δεν θα ήταν προτιμότερο, αντί για παραγωγή Η2 να φορτίζουμε κατ’ ευθείαν τις ηλεκτρικές συσκευές και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, εξοικονομώντας τεράστια ποσά ενέργειας, αποφεύγοντας τις πολλαπλές μετατροπές και τις διαρροές ενέργειας;”.

Η ενεργειακή απόδοση της υδρογονοκίνησης επίσης, δεν είναι ενθαρρυντική: Η αρχική ενέργεια η οποία προκύπτει από την ηλεκτρόλυση ή την θερμοχημική επεξεργασία της πρώτης ύλης καταγράφει απώλεια περίπου 40% μετατρεπόμενη σε Η2. Επιπλέον ενέργεια απαιτείται για την αποθήκευση του Η2, είτε υπό εξαιρετικά υψηλή πίεση σε δεξαμενές, είτε ως κρυογονικό υγρό σε κυψέλες. Στην συνέχεια, η αποθηκευμένη ενέργεια του Η2 πρέπει να επαναμετατραπεί σε ηλεκτρική με επιπλέον απώλειες. Συνολικά, δεν αποδίδεται παρά μόνο το 30–40 % της αρχικής ενέργειας (δηλώσεις στελέχους της Volkswagen, τον Νοέμβριο του 2013).

Τελικά, φαίνεται ότι ο πλέον αποτελεσματικός τρόπος μετατροπής της ενέργειας σε κίνηση, είναι ο ηλεκτρισμός…

Η πυρηνική ενέργεια ίσως αποδειχθεί η καταλληλότερη μέθοδος παραγωγής Η2 χωρίς την εκπομπή πρόσθετου CΟ2. Η ηλεκτρική ενέργεια των πυρηνικών εργοστασίων θα χρησιμοποιείται για την ηλεκτρόλυση του Η2Ο — διαχωρίζοντάς το σε Υδρογόνο και Οξυγόνο.

ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΚΑΙ ΥΔΡΟΓΟΝΟ

Κίνδυνοι από την χρήση του υδρογόνου

Οι κίνδυνοι και τα αναγκαία ως εκ τούτου μέτρα ασφαλείας, αφορούν σε όλα τα στάδια: παραγωγή, διαχείριση και χρήση του Η2, ως αέριο καύσιμο και ως υγρό. Οι κίνδυνοι προέρχονται από την ευκολία διαρροής και ανάφλεξής του ως αέριο καύσιμο, της ευχέρειας μίξης του με τον αέρα και την ικανότητά του να καθιστά εύθραυστα τα μέταλλα με τα οποία έρχεται σε επαφή, κάτω από ορισμένες χημικές συνθήκες. Το υγρό Η2 παρουσιάζει επιπλέον κινδύνους, καθώς απαιτούνται εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες για την υγροποίησή του.

Πιθανή διαρροή αερίου Υδρογόνου.

Το αέριο Η2 ανιχνεύεται δύσκολα καθώς είναι άχρωμο, άοσμο και άγευστο. Ακόμη χειρότερα, καθώς έχει την τάση να ανέρχεται και να διασκορπίζεται ταχύτατα, μία διαρροή Η2 σε μεγάλους κλειστούς επαγγελματικούς χώρους, καταλήγει σε μεγάλες ποσότητες αερίου στην οροφή και σε απομακρυσμένες γωνίες του κτιρίου, πριν κ’αν γίνει αντιληπτό από προσθετικά οσμής…

Ανάφλεξη

Το κύριο πρόβλημα είναι η αναφλεξιμότητά του. Κατατάσσεται στην υψηλότερη (4η) κατηγορία εύφλεκτων υλικών από την National Fire Protection Association, USA, καθώς, αναφλέγεται ακόμη και εάν αναμειχθεί με ελάχιστη ποσότητα (4%) αέρα, λόγω του Οξυγόνου το οποίο εμπεριέχεται σε αυτόν.

Σύμφωνα με τον Joseph Romm (Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασαχουσέτης – ΜΙΤ, ΗΠΑ), “Ακόμη και ένα κινητό τηλέφωνο ή μία αστραπή είναι ικανή να δημιουργήσει αρκετό στατικό ηλεκτρισμό για την ανάφλεξη του Υδρογόνου”. Έκρηξη σε χώρους δεξαμενών αποθήκευσης του Η2 όμως είναι παρά πολύ δύσκολο να συμβεί, καθώς οι ενισχυμένες με ανθρακονήματα δεξαμενές είναι σχεδόν άφθαρτες. Αυτό όμως δεν εξαλείφει τον κίνδυνο διαρροών στα υπόλοιπα τμήματα του δικτύου, όπως σε διυλιστήρια, αγωγούς και σταθμούς ανεφοδιασμού.

Το Η2 συγκεντρώνεται κάτω από στέγες και σκέπαστρα, δημιουργώντας έναν δυνητικό κίνδυνο έκρηξης. Δομές όπου εμπεριέχονται μεγάλες ποσότητες Η2 οφείλουν να διαθέτουν καλό εξαερισμό και αποτελεσματικό σύστημα πυρόσβεσης κατάλληλο και για ηλεκτρικές συσκευές. Το αέριο Η2 εύκολα εισέρχεται σε σωληνώσεις και εξέρχεται από την άλλη άκρη τους. Για να αποφευχθεί ο κίνδυνος φλεγόμενο αέριο Η2 να μεταφερθεί μακριά ή να περιπλέξει την κατάσταση, οι σωλήνες Η2 τοποθετούνται πάντοτε υπεράνω των υπολοίπων σωληνώσεων, ώστε σε περίπτωση ατυχήματος, το αέριο ανερχόμενο να μην τις συναντά και τις αναφλέξει.

Επιπλέον, η καύση του Η2 είναι σχεδόν αόρατη. Σε κάποιες περιπτώσεις είναι δυνατόν να ανιχνευτεί μικρή φλόγα σε διαρροή, αλλά η φωτιά μπορεί να προλάβει να επεκταθεί σε ολόκληρο το συμπιεσμένο Η2, πριν παρθεί οποιοδήποτε μέτρο εμπόδισής της.

Προφυλάξεις

Ουσίες οι οποίες προσθέτουν οσμή, μολύνουν χημικά τις κυψέλες αποθήκευσης του Η2 και δεν χρησιμοποιούνται, αν και η έρευνα συνεχίζεται. Επίσης δοκιμάζονται και εφαρμόζονται υψηλής τεχνολογίας αισθητήρες και χημικοί δείκτες. Σε ότι αφορά στην αντιμετώπιση του κινδύνου ανάφλεξης, ενώ με γυμνό οφθαλμό η ανίχνευση είναι δύσκολη, το καιόμενο Η2 είναι έντονα ορατό με την βοήθεια ανιχνευτών υπεριώδους ή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα παγκοσμίως είναι θετικά, καθώς για δεκαετίες, η βιομηχανία Η2 έχει να παρουσιάσει ένα εξαιρετικό ρεκόρ ασφαλείας.

Υγρό Η2: Εάν αέρας (φυσικός ή συμπυκνωμένος ή στερεοποιημένος) εισχωρήσει σε υγρό Η2 κατά την βιομηχανική παρασκευή του τελευταίου, δημιουργείται ασταθές μίγμα. Αυτό το μίγμα είναι επικίνδυνο να εκραγεί όπως ο δυναμίτης. Το υγρό Η2 απαιτεί αποθήκευση με θερμική μόνωση και τεχνικές κρυογονικής.

Συμβάντα και ατυχήματα

Στην συντριπτική πλειοψηφία τους αφορούν σε κλειστούς χώρους, όπου εγκλωβίζεται και αναφλέγεται. Χαρακτηριστικά:

διαρροήκυλίνδρου Η2 σε σταθμό ανεφοδιασμού,
διαρροή σωληνώσεων και πυρκαϊά Η2 σε καταλυτικό εργοστάσιο υδροκατεργασίας,
αστοχία ρυθμιστή αερίου Η2,
έκρηξη Η2 σε μονάδα παραγωγής μπλοκ σκυροδέματος,
έκρηξη Η2 και σκόνη σιδήρου πυροδοτούν πυρκαϊά σε εγκαταστάσεις κονιοποιημένων μετάλλων,
έκρηξη σε σωλήνες κατά την διάρκεια της αναγόμωσης του καταλύτη από Η2,
διαρροή Η2 από το ενσωματωμένο σύστημα αποθήκευσης ανυψωτικού οχήματος με κυψέλη καυσίμου,
έκρηξη Η2 σεκυψέλη Η2 κρουαζιερόπλοιου,
έκρηξη αερίου Η2 σε εγκατάσταση αποχέτευσης αστικών απορριμμάτων,
διαρροή Η2 και πυρκαϊά σε πυρηνικό εργοστάσιο,
θανατηφόρο ατύχημα σε εγκατάσταση επεξεργασίας χερσαίων αποβλήτων (παραγωγή βακτηριακού Η2).

Στις ιστοσελίδες οι οποίες αναφέρονται στην ενδεικτική βιβλιογραφία, υπάρχουν λεπτομερείς περιγραφές των παραδειγμάτων αυτών, αλλά και πολλών άλλων.

Δύο παραδείγματα αξίζουν προσοχής:

Δοκιμές σε αυτοκίνητα έχουν δείξει ότι ανάφλεξη ντεπόζιτου Η2 σβήνει ταχύτατα προκαλώντας μικρές ζημιές στο όχημα, σε αντίθεση με τα βενζινοκίνητα τα οποία συνήθως καταστρέφονται ολοσχερώς.
Κατά την διάρκεια του πυρηνικού ατυχήματος στην Fukushima το 2011, τρία κτίρια τα οποία στέγαζαν πυρηνικούς αντιδραστήρες υπέστησαν ζημιές λόγω εκρήξεων αερίου Η2. Οι ράβδοι καυσίμου των αντιδραστήρων (με επικάλυψη Zircaloy – κράμα Ζιρκονίου) εκτέθηκαν σε υπέρθερμους ατμούς απελευθερώνοντας Η2. Παρ’ όλα τα μέτρα προστασίας (πλήρωση των δεξαμενών με αδρανές Άζωτο για την αποφυγή ανάφλεξης του Η2) η διαφυγή ποσότητος Η2 στον χώρο του κτιρίου και η μίξη του με τον ατμοσφαιρικό αέρα προκάλεσε έκρηξη. Αποφασίστηκε η διάνοιξη μεγάλων οπών στα κτίρια των υπολοίπων ανέπαφων πυρηνικών αντιδραστήρων, για να προληφθούν τέτοιου είδους συμβάντα.

/sioualtec.blogspot.com